C'est en 1999 que Mélanie Laurent débute sur grand écran, avec un rôle dans le drame Un Pont entre deux rives, porté par Gérard Depardieu et Carole Bouquet. Deux ans plus tard, elle s'illustre au générique de Ceci est mon corps, mais c'est en 2002 que la jeune actrice française se révèle en incarnant la petite amie de Gaspard Ulliel dans le Embrassez qui vous voudrez de Michel Blanc.

Mélanie Laurent emprunte alors un parcours plutôt atypique. Après avoir accompagné le Snowboarder Nicolas Duvauchelle, elle est au générique du film hong-kongais Rice Rhapsody puis redevient compagne de Gaspard Ulliel dans Le Dernier jour (2004), qui la voit travailler à nouveau pour Rodolphe Marconi deux ans après Ceci est mon corps.

A partir de 2005, les choses s'accélèrent pour cette jeune femme au visage à la fois sévère et fragile : une apparition dans De battre, mon coeur s'est arrêté et un petit rôle dans Indigènes précèdent le délire belge Dikkenek et, surtout, le drame Je vais bien, ne t'en fais pas de Philippe Lioret. L'actrice, César du Meilleur espoir féminin pour son rôle de jeune femme déboussolée par la disparition de son frère jumeau, y fait preuve d'une présence et d'une intensité qui l'imposent comme l'un des plus sûrs espoirs du cinéma hexagonal.

Dès lors très demandée, Mélanie Laurent tient la vedette du film policier La Chambre des morts et du thriller Le Tueur avant, en 2008, de parcourir le Paris de Cédric Klapisch. Après avoir réalisé l'un des courts métrages pornographiques du projet X-Femmes, elle est à l'affiche, en 2009, de la comédie Jusqu'à toi de Jennifer Devoldere, puis franchit un nouveau cap - hollywoodien cette fois - en tenant l'un des rôles principaux du Inglourious Basterds de Quentin Tarantino. Un rôle comme la preuve définitive d'une ascension fulgurante, et qui a donné à la comédienne l'occasion d'esquisser quelques pas de danse avec Tarantino himself sur le tapis rouge du Festival de Cannes, où le film était présenté en compétition.

Mélanie Laurent ne quitte pas tout de suite la France de la Seconde Guerre mondiale et participe en 2010 au drame historique de Rose Bosch, La Rafle. Elle y interprète une courageuse infirmière, tentant de prêter main-forte aux Juifs déportés pendant les terribles événements du Vel d'Hiv. Variant les personnages, la jeune actrice prend les traits d'une redoutable empoisonneuse l'année suivante, dans le thriller Requiem pour une tueuse. Elle retrouve ensuite la cinéaste Jennifer Devoldere pour la comédie dramatique Et soudain, tout le monde me manque, interprétant la fille d'un Michel Blanc distant. La même année, la comédienne multiplie les projets : elle devient chanteuse (son album, En t'attendant, sort en mai 2011) et passe derrière la caméra avec Adoptés, son premier long métrage.

En 2013, Mélanie Laurent réaffirme sa place de frenchie à Hollywood dans le film de magie Insaisissables de Louis Leterrier, aux côtés de Mark Ruffalo et Jesse Eisenberg. L'année suivante, elle est à l'affiche du thriller Enemy de Denis Villeneuve avec Jake Gyllenhaal. Elle enchaîne ensuite avec son deuxième long-métrage en tant que réalisatrice en adaptant Respire, le roman d'Anne-Sophie Brasme. Ce film met en scène deux adolescentes qui se lient d’amitié, mais pour qui très vite la complicité fusionnelle révèle la perversion narcissique de l’une d'elles.

Particulièrement impliquée dans la préservation de l’environnement, Mélanie Laurent participe à plusieurs campagnes GreenPeace et Fish Fight, en posant nue avec un tourteau par exemple, afin de sensibiliser aux méfaits de la surpêche. En mai 2014, elle lance avec Cyril Dion, co-fondateur de l’ONG Colibris, une collecte de fonds sur un site internet de crowdfunding. L’objectif de 200 000 euros est atteint en 3 jours et la somme doublée à la fin du mois de juillet 2014. Cet argent leur permet de réaliser un documentaire, intitulé Demain, qui traite du changement de la société et de l'écologie. Présenté en décembre 2015 au Sommet Mondial sur le Climat à Paris, le film dépasse le million d'entrées en France et remporte le César du meilleur documentaire.

Désormais aussi sollicitée des deux côtés de l'Atlantique, Mélanie Laurent partage sa carrière entre les Etats-Unis et la France, où elle varie les registres d'un projet à un autre. Ainsi, elle donne tour à tour la réplique à Brad Pitt et Angelina Jolie dans le film de cette dernière Vue sur mer, incarne la petite amie de Slimane Dazi dans Les Derniers Parisiens (2017) et l'ex-femme de Guillaume Canet dans le thriller Mon garçon (id.). Prêtant main forte à Oscar Isaac dans la traque d'un nazi (Opération finale), elle participe au vaudeville en costume Le Retour du héros face à Jean Dujardin et est l'une des membres des 6 Underground réunis dans le blockbuster bourrin de Michael Bay. 

Malgré une filmographie riche en tant que comédienne, Mélanie Laurent ne délaisse pas pour autant la réalisation. En 2017, elle signe Plonger, l'histoire d'amour intense entre une photographe espagnole (María Valverde) et un ex-reporter de guerre (Gilles Lellouche). L'année suivante, elle réalise son premier film en langue anglaise avec Galveston, suivant la cavale désespérée de deux paumés campés par Ben Foster et Elle Fanning. 

2021 est une année faste pour l'artiste. On la retrouve devant la caméra d'Alexandre Aja pour le huis-clos de SF Oxygène, où elle est une femme amnésique prisonnière d'une unité cryogénique ; puis derrière la caméra pour sa sixième réalisation, Le Bal des folles, d'après le roman de Victoria Mas. Dix ans après avoir été maîtresse de cérémonie, elle foule à nouveau les marches du Palais des Festivals en tant que membre du jury de la 74ème édition du Festival de Cannes, présidé par Spike Lee.