La jeune parisienne Mélanie Laurent fait ses armes grâce à Gérard Depardieu dans Un pont entre deux rives (coréalisé par Frédéric Auburtin, 1999). Puis viennent Rodolphe Marconi (Ceci est mon corps, Le dernier jour), Michel Blanc (Embrassez qui vous voudrez), Olias Barco (Snowboarder), Thierry Klifa (Une vie à t'attendre) et Jacques Audiard (De battre mon cœur s'est arrêté) (2001-2005) qui précisent sa présence mutine, juvénile, et éclectique. L'année 2006 la révèle au grand public avec la farce belge Dikkenek (Olivier Van Hoofstadt), la fresque historique Indigènes (Rachid Bouchareb) et surtout la chronique émouvante Je vais bien, ne t'en fais pas (Philippe Lioret) où elle incarne une fille de famille blessée. Désormais vedette, elle promène son visage angélique et à son apparence gracile participe au PARIS choral (Cédric Klapisch, 2008), et devient la cible des thrillers Le tueur (Cédric Anger, 2007), La chambre des morts (Alfred Lot, 2007) et Requiem pour une tueuse (Jérôme Le Gris, 2011, photo). Elle tourne à Singapour le film inédit en France Rice rhapdosy (Kenneth Bi, 2004), en Italie L'amour caché (Alessandro Capone, 2007) avec Isabelle Huppert, et incarne une violoniste avec l'orchestre russe du Concert (Radu Mihaleanu, 2009). Jennifer Devoldère lui fait aimer l'Américain Justin Bartha dans le romantique Jusqu'à toi (2009) et la rappelle pour jouer la fille et soeur au coeur de Et soudain, tout le monde me manque (2009-2011) avec Michel Blanc. Elle gagne ses galons de jeune première internationale en Shosanna vengeresse des Inglourious basterds (Quentin Tarantino), avant de retrouver l'Europe soumise à Hitler de La rafle (Roselyne Bosch) et de séduire Ewan McGregor dans le californien Beginners (Mike Mills) (2009-2010). Elle joue dans des téléfilms et courts métrages, et réalise elle-même les courts De moins en moins (2008), moments de vie d'une jeune femme qui plonge dans l'oubli et la maladie, et À ses pieds (2008), voyage fantasmatique dans le cadre de la collection X FEMMES. Boulimique, elle joue au théâtre « Promenade de santé » de Nicolas Bedos, sort l'album « En t'attendant » composé avec l'Irlandais Damien Rice (2010-2011), et signe les longs métrages Les adoptés (2011), drame familial qu'elle écrit, réalise et joue avec Denis Menochet, Marie Denarnaud et Clémentine Célarié, et Respire (2014) amitié féminine passionnelle avec Lou de Lâage et Joséphine Japy. Elle est désormais partie prenante de projets internationaux anglophones, avec Night train to lisbon (Bille August), Insaisissables (Louis Leterrier), Enemy (Denis Villeneuve), Aloft (Claudia Llosa) et Vue sur mer (Angelina Jolie) face à Jack Huston, Jesse Eisenberg, Mark Ruffalo, Jake Gyllenhaal, Jennifer Connelly et Brad Pitt (2013-2015).
Particulièrement impliquée dans la préservation de l’environnement, Mélanie Laurent participe à plusieurs campagnes GreenPeace et Fish Fight, en posant nue avec un tourteau par exemple, afin de sensibiliser aux méfaits de la surpêche. En mai 2014, elle lance avec Cyril Dion, co-fondateur de l’ONG Colibris, une collecte de fonds sur un site internet de Crowdfunding. L’objectif de 200 000 euros est atteint en 3 jours et la somme doublée à la fin du mois de juillet 2014. Cet argent leur permet de réaliser un documentaire, intitulé DEMAIN, qui traite du changement de la société et de l'écologie. DEMAIN est présenté en décembre 2015, au Sommet Mondial sur le Climat à Paris.
A l'affiche du casting quatre étoiles d'Eternité en 2016, Mélanie Laurent donne aussi la réplique à Brad Pitt et Angelina Jolie dans le film de cette dernière Vue sur mer, incarne la petite amie de Slimane Dazi dans Les Derniers Parisiens (2017) et l'ex-femme de Guillaume Canet dans le thriller Mon garçon (id.). Cette même année 2017, elle sort son nouveau film en tant que réalisatrice, Plonger, qui raconte l'histoire d'amour intense entre une photographe espagnole (María Valverde) et un ex-reporter de guerre (Gilles Lellouche).
