Fille d'Alain Doutey.Après avoir étudié la comédie au Cours Perimony, la jeune Mélanie Doutey fait ses débuts sur grand écran en 1998 dans Les Gens qui s'aiment de Jean-Charles Tacchella.Après des études au Conservatoire National d'Art Dramatique de Paris, la jeune femme se révèle au grand public en incarnant l'épouse obstinée de Guillaume Canet dans Le Frère du guerrier de Pierre Jolivet, où elle donne également la réplique à Vincent Lindon. En 2003, Mélanie Doutey tient la vedette de Leila de Gabriel Axel, et figure également au générique de La Fleur du mal de Claude Chabrol.