Elle a grandi dans le 9e arrondissement de Paris. Ses grands-parents maternels étaient éditeurs d’affiches de théâtre, ils entremêlent le côté juif ashkénaze polonais et séfarade tunisien. Sa mère, Annick, est professeur de danse et son père, Pierre Laurent, est comédien spécialisé dans le doublage (il prête notamment sa voix à Ned Flanders et à une vingtaine de personnages de la série Les Simpson). Bien qu'enfant de la balle et plongée dès sa naissance dans le milieu artistique, ce n’est que bien plus tard et par hasard que Mélanie Laurent entre dans le monde du cinéma. En 1998, alors qu’elle accompagnait une de ses amies sur le tournage d’Astérix et Obélix contre César, Gérard Depardieu la remarque et décide de l’engager pour son film. Voyant en elle une « actrice naturelle », Depardieu lui donne trois conseils : ne pas prendre de cours de théâtre, ne pas apprendre ses textes trop à l'avance et ne jamais craindre d'être ridicule dans ses rôles.
En 2010, elle incarne l'infirmière Annette Monod, envoyée par la Croix Rouge, dans La Rafle, témoin de la rafle du Vel' d'Hiv de juillet 1942. Elle y joue un des principaux rôles. Cette même année, elle débute une carrière de chanteuse. Son premier album, réalisé par Damien Rice, sort le 2 mai 2011 sur le label Atmosphériques, précédé du single "En t'attendant" dévoilé sur son site officiel en février 2011. Mélanie Laurent a été choisie comme maîtresse de cérémonie pour le Festival de Cannes 2011, qui se déroule du 11 au 22 mai 2011. En avril 2011, elle participe pour la première fois au Printemps de Bourges, en tant que chanteuse. En novembre 2011, elle sort son premier long métrage en tant que réalisatrice, Les Adoptés. Elle interprète le rôle principal aux côtés de Denis Ménochet et Marie Denarnaud.
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c est fou le nombre de films ou mélanie et a poil et ou elle ce fait baiser elle adore ca nous exiter