Мелані Тьєррі народилася 17 липня1981 року в Сен-Жермен-ан-Ле, що в департаменті Івлін у Франції. З 13-річного віку вона почала кар'єру в модельному бізнесі, ставши до 18 років однією з найзатребуваніших моделей Франції. Її акторський дебют відбувся в 1999 році в музичній драмі італійського режисера Джузеппе Торнаторе«Легенда про піаніста». Торнаторе вирішив запросити Мелані у свій фільм, побачивши її світлини в одному з номерів журналу Vogue-Італія.
Наступною акторською роботою Мелані Тьєррі стала роль Есмеральди у стрічці Патріка Тімсіта «Квазімодо». Потім вона знялася в комедії «15 серпня» разом з Рішаром Беррі. Незабаром вона з'явилася в декількох популярних телесеріалах, а також зіграла головну роль в постановці гучної п'єси Аманди Штер «Старий білявий єврей».
У 2009 році Мелані Тьєррі виконала головну роль у драмі Філіппа Годо «Відхожа чарка». За роботу у цьому фільмі Тьєррі отримала свою першу кінопремію «Сезар» в номінації «Багатонадійна акторка». Цього ж року за головну роль в паризькій постановці п'єси Теннессі Вільямса «Лялечка» (Baby Doll) акторка номінувалася на головну французьку театральну премію Мольєра.
Мелані Тьєррі часто знімається в костюмованих драмах. У 2003 році вона з'явилася в міні-серіалі Джо Райта «Останній король», потім зіграла Шарлоту Дерів в історичній драмі «Інший Дюма» (2009) та зіграла головну роль у фільмі Бертрана Таверньє«Принцеса де Монпансьє» (2010), який заснований на знаменитій новелі мадам де Лафайєт.
У 2010 році Мелані стала обличчям рекламної кампанії парфумів «Belle d'Opium» — нової версії аромату від «Yves Saint Laurent». У рекламному ролику вона виконала чуттєвий танець, поставлений хореографом Акрамом Ханом[5].
З 2002 року Мелані Тьєррі перебуває у фактичному шлюбі зі співаком і актором Рафаелем Арошем (нар. 1975). У пари є два сини — Роман Арош (нар. 24.05.2008) і Альоша Арош (нар. 31.12.2013).