Fille des comédiens Alain Doutey et Arielle Séménoff, Mélanie Doutey partage ses études entre un DEUG d’anglais et les cours de théâtre professé par Jean-Périmony. Elle présente le concours du Conservatoire National Supérieur d’Art Dramatique de Paris, et le décroche du premier coup . Elle ressortira diplômée du CNSAD en 2002 .

Mélanie débute au cinéma via une apparition dans Les Gens qui s’aiment (1999) de Jean-Charles Tacchella, puis apparaît à la télévision dans plusieurs téléfilms ( Le Bahut (1999) Le Mystère Parasuram (2001) Chère Marianne (2000) et quelques courts métrages avant de décrocher son premier grand rôle dans Le Frère du guerrier (2002) où elle incarne une jeune boiteuse du XIIIe siècle, épouse vaillante de Guillaume Canet frappé d’amnésie. Pour ce rôle, elle est nominée aux Césars dans la catégorie « Meilleur espoir féminin » . Auparavant, en 2001, elle avait participé au film « Leila » du réalisateur Danois Gabriel Axel (son dernier film) .

En 2003, Mélanie obtient un rôle dans le film de Claude Chabrol, « La fleur du mal » aux côtés de Benoit Magimel, Nathalie Baye et la regrettée Suzanne Flon .

Elle participe également cette année là au téléfilm évènement de France 2 sur la guerre d’Algérie, « L »adieu » .

Au théâtre, toujours en 2003, elle joue dans la pièce de théâtre « L’éventail de Lady Windermere« , rôle qui lui vaudra une nomination aux Molières dans la catégorie Révélation Théâtrale féminine .

En 2004, elle a un petit rôle dans « Narco« , comédie réalisée par Gilles Lellouche (son compagnon) avec Guillaume Canet . Elle obtient également le rôle d’Amaia dans le fameux film Espagnol « EL Lobo » avec Eduargo Noriega et Patrick Bruel, film qui fut un succès en Espagne .

L’année 2005 marque un tournant pour la comédienne puisqu’elle remporte un franc succès sur petit écran en incarnant le rôle-titre de la série « Clara Sheller (2005) » puis enchaîne par un rôle à costume au cinéma dans « Il ne faut jurer de rien ! (2005) » où elle partage l’affiche avec Jean Dujardin et Gérard Jugnot.

Pour « Clara Sheller« , elle obtient le prix de « Meilleure actrice de l’année » catégorie comédie au festival International de Montecarlo .

Elle est également nommée pour la deuxième fois aux Césars dans la catégorie « Meilleur espoir féminin » pour son rôle dans « Il ne faut jurer de rien » .

En 2006, Mélanie enchaîne les films, la comédie « On va s’aimer » (avec Alexandra Lamy, Julien Boisselier et Gilles Lellouche), « Fair Play » (avec Marion Cotillard, Jeremie Renier, Benoit Magimel), puis « President » (avec Albert Dupontel et Jeremie Renier) .

En 2007, Mélanie retourne au théâtre pour « Confidences trop intimes » avec Jacques Gamblin . Cette pièce de théâtre est mise-en-scène par Patrick Leconte . Elle joue également dans la comédie « Ce soir je dors chez toi« , premier film d’Olivier Baroux, avec Jean-Paul Rouve et Kad Merad .

Elle est aussi à l’affiche d’un téléfilm allemand « Troie, la cité du trésor perdu » avec Heino Ferch, téléfilm qui se tourna uniquement en anglais .

Début 2009, sort sur les écrans français le film de Maïwenn « Le bal des actrices«   dans lequel Mélanie joue son propre rôle . Ce film est un beau succès public et permet de retrouver Mélanie au cinéma .

Elle est également à l’affiche de 2 autres films en  2009 : Rien de personnel » (sélectionné lors de la semaine de la critique à Cannes) , et « RTT » (film qui dépassa le million d’entrées au box-office) aux côtés de Kad Merad qui fut tourné en 2008 à Miami et Paris .

Début 2010 est sorti dans les salles « Une petite zone de turbulences » avec Miou Miou, Michel Blanc et Gilles Lellouche .

Le 5 septembre 2009, Mélanie donne naissance à son premier enfant, une petite fille nommée Ava . Le père est Gilles Lellouche .