André Melançon grandit dans sa ville natale de Rouyn-Noranda, en Abitibi-Témiscamingue. Après avoir terminé son cours classique, il part un an au Pérou. De retour au Québec, il devient psycho-éducateur avant de travailler au Conseil québécois pour la diffusion du cinéma. Au cours de l'année 1970, il entreprend son premier film, un documentaire sur le felquiste Charles Gagnon. Le film ne connaît qu'une diffusion limitée. Il enchaîne avec deux petits films didactiques sur l'enseignement des mathématiques puis avec le documentaire Des armes et les hommes, portant sur la violence et sa représentation.
En 1973, il tourne trois courts-métrages centrés sur des enfants : « Les Oreilles » mène l'enquête, Les Tacots et Le Violon de Gaston. L’enfance est aussi au cœur des deux premiers longs-métrages qu’il réalise : la comédie Comme les six doigts de la main et le documentaire Les Vrais Perdants, regard critique sur la pression que subissent les enfants placés en situation de compétition.
Au début des années 1980, le producteur Rock Demers entreprend la production d’une série de films pour toute la famille : les Contes pour tous. C’est André Melançon qui réalise le premier de la série : La Guerre des tuques. Le film, émaillé de répliques qui passeront à l’histoire, est présenté à la fin de l’année 1984 et connaît un franc succès. Melançon réalise trois autres contes pour tous : Bach et bottine en 1986, Fierro l'été des secrets en 1991 et Daniel et les Superdogs en 2004. Il participe aussi au scénario de La Grenouille et la Baleine, que dirige Jean-Claude Lord et qui est un autre grand succès de la série.
Vers la fin des années 1980, André Melançon est engagé pour réaliser l’adaptation télévisuelle du roman Les Filles de Caleb, mais un désaccord avec le producteur le pousse à abandonner le projet qui sera récupéré par Jean Beaudin. Melançon, de son côté, change de registre avec le polar hivernal Rafales, basé sur un scénario qu'il écrit avec les deux acteurs principaux Denis Bouchard et Marcel Leboeuf.
En 1997, Melançon écrit et réalise Cher Olivier, une télé-série de quatre heures évoquant la vie et la carrière de l’acteur comique Olivier Guimond, dont le rôle est interprété par Benoit Brière. Succès d’auditoire, la série rafle neuf Prix Gémeaux dont ceux de la meilleure série dramatique, de la meilleure réalisation et du meilleur texte. Melançon sera moins heureux avec ses télé-séries suivantes : Ces enfants d'ailleurs – La suite, d'après un roman d'Arlette Cousture et Asbestos, reconstitution du conflit ouvrier survenu à Asbestos en 1949. La première série est diffusée à l'automne 1998 et la seconde est présentée pendant l'hiver 2002. Dans les deux cas, l'accueil est assez mitigé. Mélançon caresse également le projet d'une télé-série sur le chanteur Gerry Boulet qui ne verra finalement pas le jour.
Avec son documentaire L'Âge de passion, lancé en 2008, Mélançon effectue un retour aux sources alors qu'il se demande ce que sont devenus les enfants qu'il nous avait présentés trente ans plus tôt dans son film Les Vrais perdants.
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