Mélanie Doutey voit le jour le 22 novembre 1978 à Paris. Fille d’un couple de comédiens, Alain Doutey et Arielle Séménoff, elle a un petit frère. Enfant du sérail, l’adolescente va néanmoins poursuivre des études d’anglais à l’université avant d’être rattrapée par sa fibre artistique. Après le cours Périmony, elle intègre le Conservatoire national supérieur d’art dramatique de Paris.
En 1998, l’aspirante actrice débute au cinéma avec une apparition dans Les Gens qui s’aiment. Puis Pierre Jolivet lui met le pied à l’étrier avec un petit rôle dans Le frère du guerrier en 2002. Sa prestation lui vaut une nomination au César du meilleur espoir féminin. Elle ne remporte pas le prix mais enchaîne plusieurs tournages; La fleur du mal de Claude Chabrol, Leïla de Gabriel Axel puis Narco de Tristan Arouet et Gilles Lellouche.
En 2005, c’est la série télévisée Clara Sheller qui va révéler Mélanie au grand public. La série réalise un énorme succès d’audience et rend l’actrice très populaire. Une deuxième saison est tournée, mais Mélanie Doutey préfère se consacrer à d’autres projets et laisse son rôle à Zoé Félix. Elle se consacre au cinéma et varie les registres; les comédies romantiques : On va s’aimer (2005), Ce soir je dors chez toi (2007), RTT (2009), les drames : Fair Play (2006), Rien de personnel (2008), Aux yeux de tous (2012). Fidèle, l’actrice retrouve le réalisateur Cédric Jimenez en 2014 pour tourner La French. En 2015, c’est Olivier Baroux qu’elle retrouve pour le long-métrage Entre amis. Elle revient sur le petit écran aux côtés de JoeyStarr et Grégory Fitoussi dans la série La main du mal diffusée sur TF1, en novembre 2016.
Parallèlement, Mélanie Doutey suit les traces de sa mère et foule régulièrement les planches pour interpréter des pièces de théâtre du répertoire classique (L’éventail de Lady Windermere d’Oscar Wilde, Le songe d’une nuit d’été de Shakespeare), mais également des oeuvres plus contemporaines (Le rattachement de Didier Van Cauwelaert, Festen la suite de Thomas Vinterberg). En 2010, la comédienne donne la réplique à Jacques Weber au théâtre Hébertot à l’affiche de Solness le constructeur du dramaturge norvégien Henrik Ibsen.
Côté vie privée, l’actrice rencontre Gilles Lellouche en 2002. Le couple a une petite fille, Ava, née le 5 septembre 2009. Mais le couple se sépare en 2013.