Mélanie Laurent es una actriz hija de un actor de doblaje francés y de una profesora de baile. A pesar de que no tenía intención de dedicarse a la interpretación, en 1998 tuvo la oportunidad de conocer al actor Gerard Depardieu, quien la invitó a participar en el filme Un puente entre dos ríos (1999), experiencia que le sirvió para definir su futuro.
Entre 2002 y 2005 participó en varias películas que llamaron la atención de los críticos de cine, en especial Besen a quien quieran (2002) y De latir, mi corazón se ha parado (2005), con la que creció su reputación como actriz dramática.
Con el drama Je vais bien, ne t'en fais pas (2006) ganó el premio César a la Mejor Actriz, el Premio Lumière en la categoría de Mejor Actriz Novel y un Étoile d'Or en el apartado de Mejor Actriz Revelación. Todos ellos son premios de alto prestigio dentro de la industria cinematográfica francesa.
En 2008 estrenó París , un drama que trata la vida de un bailarín profesional llamado Pierre que sufre una enfermedad cardíaca grave y que espera un trasplante para que puedan salvarle la vida. Los protagonistas principales fueron la oscarizada Juliette Binoche y Romain Duris.El siguiente trabajo de Laurent fue el más aclamado en los que había actuado hasta entonces. El señor Quentin Tarantino contó con su presencia para protagonizar Malditos Bastardos (2009) junto a un elenco de lujo, en el que estaban Brad Pitt y Christoph Waltz. La cinta bélica fue galardonada en múltiples festivales de cine internacionales.
Mélanie Laurent cambió de registro en su último proyecto cinematográfico, una comedia dirigida por el director rumano Radu Mihaileanu titulada El Concierto, y que se estrena el próximo viernes en España . El concierto es una historia basada en hechos reales protagonizada por un director de orquesta soviético, Andreï Filipov, que fue despedido por contratar músicos judíos.
Laurent comparte su vida con el cantante irlandés Damien Rice, además de ser una gran amiga de Marion Cotillard y Mélanie Doutey.