После окончания Первой мировой войны, во время которой Габриэль Милле в качестве фотографа сопровождал французскую армию на Балканах (5 тыс. негативов было передано им в архив Французской восточной армии), у него появилась возможность более детального, чем в 1906 и 1907 гг., исследования памятников в Сербии, Македонии, Черногории, что открыло перспективность этого ареала для изучения палеологовского искусства. Этой теме была посвящена книга «L'ancien art serbe: Les églises» (Париж, 1919 г.), а также четыре альбома, опубликованные А. Фроловым и Т. Вельманс после смерти учёного. С 1899 г. в Практической школе высших исследований в секции религиозных наук Габриэль Милле читал курсы «История христианской Церкви», «История христианской литературы и Церкви», позднее основал кафедру христианской и византийской археологии, где с 1906/1907 гг. до 1937 г. вёл курс «Византийское христианство и христианская археология». Среди его учеников – Ж. Эберсольт, А. Фролов, Сирарпи Тер-Нерсесян. Там же в 1903 г. он организовал фототеку («Collection chrétienne et byzantine»), которая стала одним из крупнейших европейских фондов изобразительных материалов по византийскому искусству (больше 80 тыс. единиц хранения) и была доступна византинистам разных стран. Эта коллекция, в основе которой был собственный архив Габриэля Милле, пополнялась через дары исследователей, меценатов (среди них были Жан Кледа, Никодим Павлович Кондаков, Гийом де Жерфанион, Г. Белл) и различных обществ и учреждений (Императорское Палестинское Православное общество, Академия надписей и изящной словесности, Белградская Академия Наук и т.д.). С 1927 по 1937 гг. Габриэль Милле занимал должность ординарного профессора на кафедре эстетики и истории искусств в Коллеж-де-Франс (в 1937 г. присвоено звание почётного профессора), где им в 1930 гг. была заложена основа коллекции «Архивы Афона» (впоследствии Поль Эмиль Лемерль), пополнял, изучал и публиковал эти материалы. В круг научных интересов Габриэля Милле входили вопросы истории византийской архитектуры, богословия, филологии и эпиграфики, но в искусствознании он известен, прежде всего, как исследователь христианской археологии и иконографии. Основные работы в этой области были опубликованы им в 1890 гг. – 1920 гг. Взгляды Габриэля Милле на византийское искусство в сконцентрированном виде нашли отражение в двух очерках, написанных исследователем для первого (опубликован в 1905 г.) и третьего (опубликован в 1908 г.) томов «Истории искусств» А. Мишеля.