Flyet med de to om bord, landet på militærbasen Lewis-McChord nær Tacoma i delstaten Washington lørdag kveld.
De to var dømt til flere års fangenskap i Nord-Koreas arbeidsleire, men ble løslatt etter at CIA-sjefen James Clapper personlig reiste til Pyongyang på et hemmelig oppdrag.
– Jeg vil takke for all støtten jeg har fått i løpet av disse årene. Det har vært to utrolige år. Jeg lærte mye. Jeg vokste mye selv om jeg gikk mye ned i vekt. Takk til alle dere som var der for meg og ba for meg, sa Bae til pressen på flyplassen.
Misjonæren Bae har sittet i fangenskap siden november 2012.
– Jeg vil også takke den nordkoreanske regjeringen for å la meg reise hjem og bli forent med familien, sa han videre.
Da Miller landet et par timere senere ble også han møtt med klemmer, skriver The Washington Post.
Var dømt til 15 og seks års fangenskap
Bae ble møtt av familien på flyplassen og fikk en god klem av moren sin da han kom ut av flyet.
Amerikanerne har jobbet lenge for å få de to løslatt. Bae var dømt til 15 års straffarbeid for angivelig å ha undergravet den nordkoreanske staten.
Matthew Miller ble i september anklaget for spionasje og dømt til seks år straffarbeid, ifølge det statlige nordkoreanske nyhetsbyrået KCNA. Miller ble pågrepet i Nord-Korea i april i år.
Amerikanske myndigheter har ikke villet opplyse hvordan de klarte å få de to satt fri.
De to landene har ingen diplomatiske forbindelser, men USA skal ha fått svensk hjelp. Den svenske ambassaden fungerer som bindeledd mellom Washington og Pyongyang.
For tre uker siden ble 56 år gamle Jeffrey Fowle frigitt fra fengsel i Nord-Korea. Han skal ha lagt igjen en bibel på hotellrommet sitt, og brøt dermed loven ved «å opptre i strid med formålet med turisme».
– Nord ønsker mer velvilje
Frigivelsen viser at Nord-Korea tar FNs planer om å tiltale landets ledere for forbrytelser mot menneskeheten alvorlig, sier analytikere AFP har snakket med.
Professor Yang Moo-Jin ved nordkoreanske studier ved Universitetet i Seoul mener frigivelsen er et forsøk på å bli møtt med økt velvilje.
Nord-Korea risikerer en FN-resolusjon som kan bli lagt frem for Den internasjonale straffedomstolen (ICC) for forbrytelser mot menneskeheten. Resolusjonen skal behandles i FNs generalforsamling neste måned.
– Nord-Korea forsøker tydeligvis å komme med et mottrekk, sier Yang Moo-Jin.