Период, последовавший за Русской революцией 1917 года, характеризовался дружбой и сотрудничеством с композитором Александром Глазуновым, пианистом Владимиром Горовицем и виолончелистом Григорием Пятигорским. Мильштейн стал одним из ведущих исполнителей Скрипичного концерта Глазунова, который он впервые сыграл в 10 лет, но его репертуар продолжал расширяться, включая барочную, классическую и романтическую музыку.
В 1928 году он эмигрировал в Соединенные Штаты с поддельными документами, что объясняет, почему в нескольких его биографиях указана неверная дата рождения — 1904 год. Он дебютировал в Америке в 1929 году с Леопольдом Стоковским и Филадельфийским оркестром. После Второй мировой войны он жил в основном между Парижем и Лондоном, где и умер 21 декабря 1992 года.
Будучи транскриптором и композитором, Мильштейн аранжировал множество произведений для скрипки и писал собственные каденции. В фильме, снятом Кристофером Нупеном, Nathan Milstein In Portrait, он сказал Пинхасу Цукерману: "Недостаточно просто практиковаться. Очевидно, что нужно практиковаться, но нужно изобретать способы делать лучше", и он продолжал изобретать новые способы игры на скрипке до своего последнего концерта в 1986 году в возрасте 82 лет.
Он был награжден «Орденом Почетного легиона» Францией в 1968 году и почетной наградой Центра Кеннеди президентом США Рональдом Рейганом. В 1975 году он также получил премию Грэмми за запись Сонат и партит Баха, за которую его часто считают величайшим интерпретатором.
