Née aux Etats-Unis, Mélonie Diaz étudie à la Professional Performing Arts High School. Elle fait ses débuts en 2001, dans la comédie Bad Luck ! de Tom DiCillo. C'est à partir de 2004 qu'elle est remarquée par la critique pour ses prestations dans trois films indépendants. D'abord, Les Seigneurs de Dogtown, un biopic sur la création du groupe de skateurs les Z-Boys, avec Heath Ledger notamment. Ensuite, deux ans plus tard, dans Il était une fois dans le Queens, de Dito Montiel, elle donne la réplique à Shia LaBeouf, aux cotés de Rosario Dawson et Robert Downey Jr. Puis en 2007, c'est dans le drame Itty Bitty Titty Committee, de Jamie Babbit, qu'elle officie en tant qu'Anna, une jeune fille timide qui croise le chemin d'une tagueuse rebelle. Après quoi, elle se lance dans la comédie, avec Hamlet 2, ou encore Soyez Sympas, Rembobinez de Michel Gondry, où elle incarne une cadreuse venant en aide à Jerry (Jack Black) qui réalise des remakes de films.

Elle s'essaie par la suite au petit écran avec des apparitions dans des séries, principalement policières, telles que Rizzoli & Isles, Les Experts : Miami ou Person of Interest. En 2013, elle fait partie du casting du biopic Fruitvale Station, six fois récompensé, dont une fois à Cannes et une autre à Sundance, portant sur la tragique histoire d'Oscar Grant abattu par un officier de police le 1er janvier 2009. Après cela, elle joue, en 2014, aux côtés d'Adam Sandler, Steve Buscemi, Dustin Hoffman et Ellen Barkin dans la comédie fantastique The Cobbler. Deux ans plus tard, Diaz est entourée de John Gallagher Jr., Tony Goldwyn, Adria Arjona, et John C. McGinley pour le thriller de Greg McLean The Belko Experiment.

En 2018, Mélonie Diaz entre au casting du quatrième opus d'American Nightmare, puis décroche un rôle dans la comédie Gringo, de Nash Edgerton, avec David Oyelowo et Charlize Theron. La même année, elle endosse le rôle de Mel Vera, qui possède le don d'arrêter le temps, dans le reboot de Charmed commandé par la CW.

Philippine Sarrot