Mélanie Bernier grandit dans la région de Tours, et s'intéresse très tôt à la comédie. Elle se met dès l'enfance au théâtre amateur, et, adolescente, participe à la Ligue d'improvisation. C'est à la télévision qu'elle fait ses premiers pas à l'écran, en apparaissant dans le téléfilm Rends-moi mon nom.

Elle ne tarde pas à obtenir ses premiers petits rôles et rejoint le casting de Barnie et ses petites contrariétés. Les films dans lesquels elle campe des personnages secondaires (Le Temps des porte-plumes, Sa Majesté Minor, Modern Love) ne sont pas de grands succès, mais lui permettent de se faire connaitre.

Côté petite lucarne, Mélanie Bernier progresse vers des rôles plus importants. En 2004, elle incarne Fanchon, l'héroïne de La Petite fadette, adapté du roman éponyme de George Sand, et en 2006, elle partage l'affiche de la série Marie Besnard, l'empoisonneuse... avec Muriel Robin.

Sa palette se diversifie au début des années 2010, la comédienne s'essayant à plusieurs genres : le doublage (elle est la voix de Nadia dans Titeuf, le film), le film d'action (L'Assaut), en passant par la comédie romantique (amie d'Audrey Tautou dans La Délicatesse ou rivale de Déborah François dans Populaire).

Accroissant sa notoriété, Mélanie Bernier tend à privilégier la comédie, comme en témoignent ses prestations dans Les Gamins (2013), Un peu, beaucoup, aveuglément (2015), Nos futurs (id.), La Prunelle de mes yeux (2016), Tout là-haut (2017), Love Addict (2018) ou encore Mine de rien (2020).

La native de Tours change de registre avec les téléfilms Mystère à la Sorbonne, dans lequel elle est accusée de meurtre, et surtout La Traque, qui revient sur la traque du tueur en série Michel Fourniret. Elle y incarne une policière chargée, aux côtés de François-Xavier Demaison, de mener l'enquête.