Mélanie Laurent 1983. február 21-én született Párizsban. Édesanyja, Annick balerina, édesapja, Pierre pedig szinkronszínész (többek közt õ szinkronizálja Ned Flanders-t a Simpson család francia verziójában). Zsidó vallású családban nevelkedett, egyik nagyapja még a nácik meghurcolását is túlélte.
Mélanie művészközegben nőtt fel, a színészettel azonban csak 16 éves korában kezdett el foglalkozni. 1998-ban egy barátjával meglátogatta az Asterix és Obelix forgatását, ahol megismerkedett Gérard Depardieu-vel, aki felfigyelt rá és szerepet ajánlott neki a The Bridge nevű drámában. Ez volt Mélanie első filmszerepe.
1999 és 2009 között húsz filmben tűnt fel. 2006-ban szerepelt a Köszönöm, jól vagyok című filmben, amiért César-díjat nyert.
2008-ban a saját forgatókönyvéből megrendezte a De moins en moins címû filmjét, ami a Legjobb kisfilm kategóriában jelölve lett a 61. Cannes-i Filmfesztiválon.
2009-ben a párizsi Théâtre Marigny-ben megrendezhette első színdarabját, a Mi-cuit cœur pistache-t. Ám ezzel a munkájával fel kellett hagynia, amikor is Quentin Tarantino õt választotta Shosanna Dreyfus szerepére akkor készülő mozijában, a Becstelen Brigantykban. A film meghozta Mélanie számára a nemzetközi sikert.
2010-ben feltűnt a Kezdők (Beginners) és a Razzia (La rafle) című filmekben. A 2011-es évben ő vezette a Cannes-i Filmfesztivál nyitó és záróünnepségét, valamint megrendezte első nagyjátékfilmjét, amely a "Les adoptés" címet viseli. 2013-ban a Szemfényvesztők (Now You See Me) című krimi/thrillerben volt látható, amelyben Mark Ruffalo, Jesse Eisenberg és Morgan Freeman oldalán játszott.
2014-ben újra a rendezői székbe ült, ezúttal a Respire című francia drámát készítette el. Szintén ebben az évben láthattuk az Aloft című filmben Cillian Murphy és Jennifer Connelly oldalán. 2015-ben főszerepet játszott a Boomerang című romantikus drámában, majd mellékszerepben tűnt fel az Angelina Jolie és Brad Pitt főszereplésével készült A tengernél című filmben.