Formée par Jean-Laurent Cochet, Mélanie Thierry débute en 1996 à la télévision et sur les planches cinq ans plus tard. Elle y collabore notamment avec Robert Hossein et Jacques Weber. Le cinéma la sollicite en 1999 avec Quasimodo d’El Paris de Patrick Timsit. S’ensuivent des rôles pour Giuseppe Tornatore, Ricky Tognazzi, Maïwenn ou Mathieu Kassovitz. Le dernier pour la route (2009) de Philippe Godeau lui offre un rôle de jeune alcoolique qui lui vaut de remporter le César du meilleur espoir féminin.
Après cette révélation, Bertrand Tavernier lui donne le personnage central de La princesse de Montpensier (2010), production en costumes présentée en compétition officielle à Cannes. Mais le film reçoit un accueil critique et public mitigé. Le talent de Mélanie Thierry n’est pas en cause mais ses frêles épaules ne suffisent pas à porter le long métrage.
On la revoit davantage en retrait avec Impardonnables (2011) d’André Téchiné. Mélanie Thierry tourne ensuite avec des cinéastes aussi divers que Hugo Gélin, Diane Kurys et Terry Gilliam, qui l’associe aux délires narratifs et visuels de Zero Theorem (2013). Elle est nommée au César de la meilleure actrice dans un second rôle pour La danseuse (2016) de Stéphanie Di Giusto et Au revoir là-haut (2017) d’Albert Dupontel.
Son interprétation de Marguerite Duras dans La douleur (2018) d’Emmanuel Finkiel confirme la solidité de son jeu et lui permet d’être nommée au César de la meilleure actrice. Depuis, Mélanie Thierry a été dirigée par Spike Lee et les frères Larrieu. En 2021, elle préside le Jury de la Caméra d’or du Festival de Cannes.