De son vrai prénom Marie-Hélène, Mylène Demongeot a 13 ans lorsque sa famille s'installe à Paris. Elle y suit les cours d'art dramatique de René Simon et Marie Ventura, avant d'entamer une carrière de mannequin. La jeune cover-girl n'a que dix-sept ans lorsqu'elle apparaît dans son premier film, Les Enfants de l'amour (1953).

Repérée par Marc Allégret, qui la dirige dans Futures Vedettes, elle acquiert effectivement un statut de star avec le rôle d'Abigail dans Les Sorcieres de Salem (un drame tiré du roman d'Arthur Miller), aux côtés d'Yves Montand et de Simone Signoret. Elle figure ensuite au générique d'une nouvelle adaptation, de Françoise Sagan cette fois-ci, avec Bonjour tristesse d'Otto Preminger.

Sex-symbol des années 50-60, la blonde incendiaire se spécialise dans des films le plus souvent légers, populaires et prête sa plastique avantageuse au personnage d'Hélène dans la série des Fantomas, ainsi qu'à quelques héroïnes de péplums (La Bataille de Marathon, L'Enlèvement des Sabines où elle partage l'affiche avec Roger Moore alias Romulus).

Sa rencontre avec Marc Simenon, metteur en scène et fils du romancier, va marquer un tournant. Elle se lance alors avec son mari dans la production, et espace de plus en plus ses apparitions au cinéma, jusqu'à ne plus tourner qu'épisodiquement (Signé Furax, réalisé par son mari, Tenue de soirée, de Bertrand Blier). Parallèlement, elle poursuit sa carrière d'actrice sur les planches et à la télévision. Après une éclipse de dix ans, elle signe son retour sur grand écran en 2004 avec deux films, Victoire et le polar 36 quai des orfèvres. Sa carrière au cinéma redémarre puisqu'elle fait partie de deux aventures sous le soleil, d'abord au Camping puis en Californie.

Mylène Demongeot privilégie désormais les seconds rôles voire les brèves apparitions dans des films très différents, de la comédie légère (Tricheuse, Camping 2) au drame (Les toits de Paris, Oscar et la dame rose), en passant par le cinéma d'auteur (Si tu meurs, je te tue, Elle s'en va) ou la télévision (Les mauvaises têtes, Des roses en hiver). Fidèle à Fabien Onteniente, elle repart en camping pour la troisième fois en 2016 et retrouve Franck Dubosc, Claude Brasseur et Antoine Duléry.

En 2018 et 2019, elle apparaît dans la série A l'intérieur, mais aussi Capitaine Marleau ou Infidèle. Sous la direction de Thomas Gilou, elle tourne dans la comédie Maison de retraite, dans laquelle elle côtoie à nouveau Gérard Depardieu et Antoine Duléry et pour la première fois Kev Adams.