La jeune Mélanie Thierry, qui ne correspond pourtant pas vraiment aux standards du métier (elle ne mesure qu'1m60), embrasse très vite une carrière de mannequin. Sa candeur enfantine fait ainsi le bonheur de nombreux magazines reconnus comme Elle ou Vogue. A 18 ans, en 1999, la jeune française débute sur grand écran dans La Légende du pianiste sur l'océan. Mais c'est en incarnant Esmeralda dans le Quasimodo d'el Paris de Patrick Timsit, la même année, que cette blonde aux yeux bleus se fait connaître du grand public.

Mélanie Thierry apparaît ensuite au générique de la comédie 15 août, où, après Quasimodo d'el Paris, elle donne à nouveau la réplique à Richard Berry. La jeune femme se fait alors plus rare sur grand écran, préférant diversifier son travail. Elle joue ainsi pour la télévision (les séries Fête de famille et Merci, les enfants vont bien ! en 2005) ou sur les planches, avec une impressionnante prestation dans la pièce Le Vieux juif blonde, en 2006. Au cinéma, elle s'illustre notamment dans les longs métrages Jojo la frite (2002) et Pardonnez-moi (2006).

Si Mélanie apparaît à la une des journaux people en étant la compagne du chanteur Raphaël (dont elle est la vedette du clip Caravane), elle est loin de sacrifier sa carrière à l'amour. En 2007, elle joue dans le thriller Chrysalis. A la fin de cette même année, elle apparaît dans l'ambitieux film de SF Babylon A.D. de Mathieu Kassovitz, où elle côtoie Vin Diesel. Mais c'est dans Le Dernier pour la route, aux côtés de François Cluzet que sa carrière prend un tournant : sa performance est récompensée par le César du Meilleur Espoir Féminin en 2010.

Par la suite, elle interprète l'inaccessible Charlotte Desrives de L'Autre Dumas, avant d'incarner La Princesse de Montpensier pour Bertrand Tavernier. Autre grande figure du cinéma français, André Téchiné la place aux côtés d'André Dussollier et de Carole Bouquet dans Impardonnables. Incarcérée dans le drame Ombline, elle donne la réplique à Jean-Hugues Anglade dans le thriller L'Autre Vie de Richard Kemp, est au centre d'un triangle amoureux dans Pour une femme et renoue avec le genre SF via Zero Theorem de Terry Gilliam.

Retrouvant une fois de plus Nicolas Duvauchelle dans Je ne suis pas un salaud, Mélanie Thierry poursuit sa carrière internationale avec Un jour comme un autre aux côtés de Benicio del Toro et Tim Robbins. En 2018, on la voit dans La Douleur d'Emmanuel Finkiel où elle joue ni plus ni moins que Marguerite Duras, mais aussi Le Vent tourne, drame passionnel rural où elle campe une jeune paysanne dont l'existence est bouleversée par l'arrivée d'un étranger venu installer une éolienne sur ses terres. Elle poursuit avec le burlesque Tralala aux côtés de Mathieu Amalric.

Privilégiant les rôles exigeants dans des drames, Mélanie joue la mère dans le bouleversant et primé La Vraie famille, et la compagne de Swann Arlaud dans L'Etabli, centré sur le monde ouvrier de la fin des années 1960. La comédienne goûte ensuite à l'aventure avec Soudain seuls, qui la voit tenter de survivre aux côtés de Gilles Lellouche sur une île sauvage. Également active côté petite lucarne, elle trouve des personnages de premiers plans dans les séries No Man's Land et En thérapie.