Tras jugar en las categorías inferiores del Slavia de Sofia, Milena Tomova jugó su última temporada en Bulgaria durante la campaña 2000-2001. En sus filas disputó la Copa Ronchetti donde con tan sólo 18 años fue una de las mejores jugadoras de la competición con promedios de 18,6 puntos y 8,5 rebotes, destacando especialmente ante el C.S.Rapid con 30 puntos y 14 rebotes o ante el Tim SKuf con 38 puntos y 10 rebotes. En la temporada 2001-2002, Milena Tomova inicia la aventura americana, siendo becada por la Universidad de Florida International que disputa la primera división de la NCAA.

Milena fue mejorando año tras año, promediando ya en su año junior unos excelentes 16,6 puntos y 8,6 rebotes y explotando en la temporada 2004-2005 como jugadora senior con 19,1 puntos y 8,3 rebotes de media. Además anotó 43 triples (con un 35%) en tan sólo 29 partidos y colocó 2 tapones de media. Finalizada su trayectoria universitaria, Milena Tomova ficha por Perfumerías Avenida de Salamanca con el que queda subcampeona de la Liga Regular y gana el Campeonato de Liga además de disputar la FIBA Cup donde en 13 minutos por partido promedia 5,5 puntos y 2,4 rebotes con excelentes porcentajes.

En la temporada 2006-2007, Milena ficha por el Szeviep Szeged de la primera división húngara promediando 13 puntos , 5,7 rebotes y 2,4 asistencias en Liga y 12,1 puntos y 5 rebotes en FIBA Cup con un 37% en triples. Además llega a la final de la copa y a semifinales en la Liga. Milena renueva con Szeged en la temporada 2007-2008 mejorando sus números hasta 15,1 puntos y 6,8 rebotes con un 61,7% en tiros de campo en Liga y 16,1 puntos y 6,6 rebotes en FIBA Cup y siendo de nuevo semifinalista en Liga.

Milena es nombrada la mejor jugadora comunitaria de la Liga, así como en el mejor quinteto de comunitarias y en el mejor quinteto absoluto de la Liga, además de jugar el All Star Game. Milena Tomova inicia de nuevo en Szeviep Szeged la temporada 2008-2009 y de nuevo juega Fiba Cup, con promedios de 7,6 puntos y 5,1 rebotes para posteriormente fichar en Lavezzini Parma de Primera División italiana durante los últimos 2 meses de liga. Milena Tomova ha sido una jugadora habitual en las selecciones nacionales de formación de Bulgaria, participando en su primer Europeo U18 con tan sólo 16 años.

Dos años después y de nuevo en el U18, promedió 16,6 puntos y 10 rebotes en la Challenge Round y 15,3 puntos y 7,7 rebotes en la Qualifying Round para ya en el Campeonato de Europa brillar con 17,1 puntos y 8,9 rebotes por partido y con actuaciones como los 25 puntos ante la Chequia de Jana Vesela y Eva Vitecková . Milena entró a formar parte de la selección búlgara absoluta con 19 años pero fue a partir de su retorno de Estados Unidos cuando su participación con la selección ha sido más asidua. En la fase de clasificación para el Europeo del 2007, Milena Tomova promedió 13,4 puntos y 4,9 rebotes con un 45% en tiros de campo y un 37% en triples. Milena destacó con 18 puntos y 7 rebotes ante la Bielorusia de Leuchenga , Kress y Troina o 15 puntos y 5 rebotes ante Israel de Cohen, Selwyn o Suez Karni. También ha disputado la fase de clasificación para el Europeo del 2009 promediando 8,5 puntos y 7,5 rebotes por partido.

Milena Tomova ficha por Nyon en la temporada 2009-10, promediando 5,5 puntos y 5,7 rebotes en Liga y 6,3 puntos y 6,3 rebotes en Fiba Cup.
En la temporada 2010-11, Milena ficha por Pomezia, en la A2 italiana, promediando 14,7 puntos 12,2 rebotes y 21,3 de valoración por partido.
 

Trayectoria
2000-2001: Slavia Sofia
2001-2002: Florida International (NCAA Div 1 ): 2.8ppg, 1.6rpg
2002-2003: Florida International (NCAA Div 1 ): 5.2ppg, 3.9rpg
2003-2004: Florida International (NCAA Div 1): 16.6ppg, 8.6rpg, 1.1apg
2004-2005: Florida International (NCAA Div 1): 19.1ppg, 8.3rpg, 1.5apg
2005-2006: Perfumerias Avenida Salamanca (LF - España): Liga: 4.5ppg, 2.0rpg Fiba Cup: 5.5ppg, 2.6rpg
2006-2007: Szeviep Szeged (Hungría, 1A): Fiba Cup: 12.1ppg, 5.0rpg, 1.8apg, 1.0spg, 1.4bpg, T2: 46.2%, T3: 37.5%, T1: 76.9%; Liga Húngara: 13.0ppg, 5.7rpg, 2.4apg, 1.9spg, 1.0bpg
2007-2008: Szeviep Szeged (Hungría, 1A ): Fiba Cup: 16.1ppg, 6.6rpg, 1.9apg, 1.0spg, 1.0bpg, T2: 52.3%, T3: 26.7%, T1: 62.8%; Liga Húngara: 15.1ppg, 6.8rpg, 2.0apg, 2.8spg, 1.2bpg T2: 61.7%
2008-2009: Szeviep Szeged (Hungría, 1A) Fiba Cup: 7.6ppg, 5.1rpg, 1.6apg, 1.1spg.
2008-2009: Lavezzini Parma (Italia, 1A): 0,4 ppg 1,1rpg (8 partidos)
2009-2010 Nyon (Suiza-A1): 5.5ppg 5.7rpg   Fiba Cup: 6.3ppg 6.3rpg
2010-2011 Pomezia (Italia-A2): 14.7ppg 12.2rpg 21.3val 

Palmarés
1998 Selección Bulgaria Junior
1998 Europeo Junior
2001 Selección Absoluta Bulgaria
2003 Segundo Mejor quinteto conferencia Big Ten
2004 Mención honorífica Conferencia Big Ten
2006 Semifinalista FIBA Cup
2006 Segunda clasificada Liga Regular Española
2006 Campeona de Liga Española
2007 Finalista Copa Hungría
2007 Semifinalista Liga Hungría
2008 Semifinalista Liga Hungría
2008 Jugadora Bosman del Año Liga Húngara
2008 Mejor quinteto Liga Húngara
2008 Mejor quinteto de extranjeras Liga Húngara
2008 All Star Liga Húngara
2008 Mejor quinteto de comunitarias Liga Húngara
2009 Clasificación para el Campeonato de Europa