Née le 21 février 1983 d'une mère danseuse et d'un père comédien de postsynchro, Mélanie Laurent plonge très vite dans le milieu artistique où elle est remarquée par Gérard Depardieu, qui lui confie alors un petit rôle dans le film qu'il a co-réalisé avec Fréderic Auburtin en 1999, "Un Pont entre deux rives", où elle donne la réplique à Carole Bouquet.
Rodolphe Marconi la remarque et l'engage aux côtés de Louis Garrel et de Jane Birkin dans "Ceci est mon corps" (2001). Elle retrouve le cinéaste en 2004 pour "Le Dernier jour". Ensuite, elle jouera dans "Embrassez qui vous voudrez" et dans "Snowboarder" avec Nicolas Duvauchelle.
Jacques Audiard lui offre un rôle marquant dans "De Battre mon coeur s'est arrêté" (2005) face à Romain Duris. L'actrice enchaîne avec la comédie belge "Dikkenek" (2006).
Mais c'est dans "Je Vais bien, ne t'en fais pas", un film bouleversant réalisé par Philippe Lioret, que Mélanie explose.
Elle est également à l'affiche d'"Indigènes" en 2006.