Mélanie Laurent creció en una familia artística, su madre es profesora de danza y su padre es actor, pero llegó al cine por casualidad. Gérard Depardieu le dio su primera oportunidad en Un pont entre deux rives, cuando en realidad sólo acompañaba a una amiga a hacer una prueba.

Se dió a conocer en 2002 con Besen a quien quieran, de Michel Blanc, con Gaspard Ulliel. Siempre le han interesado los papeles difíciles como demuestran sus interpretaciones en Hainan ji fan (Rapsodia de los arrozales) y El último día, esta también con Gaspard Ulliel.

Tiene en su haber películas como De latir mi corazón se ha parado, Days of Glory/Indigènes y Dikkenek. Por su papel en el drama Je vais bien, ne t’en fais pas, fue galardonada con el Premio Lumière a la Actriz Revelación. Recientemente hemos podido verla en La chambre des morts y Le tueur/El asesino.

Ha dirigido el corto De moins en moins, seleccionado por el Festival de Cannes.