Mélanie Doutey se narodila 22. Listopadu 1978 v Paříži. Oba její rodiče Alain Doutey a Arielle Séménoff se věnovali herectví. Po středoškolských studiích nastoupila Mélanie Doutey na Národní konzervatoř dramatických umění v Paříži, kde úspěšně odpromovala v roce 2002.
V roce 2005 se objevila v titulní roli seriálu CLARA SHELLER a v roli mladé aristokratky Cécile v adaptaci románu Alfreda de Musset IL NE FAUT JURER DE RIEN! Tato role ji přinesla tentokrát nominaci na Césara. Rok 2006 se pro Mélanie Doutey nesl ve znamení thrillerů PRÉSIDENT a FAIR PLAY a komedie ON VA S´AIMER. Svůj komediální talent potvrdila po boku Jean-Paul Rouva ve snímku CE SOIR JE DORS CHEZ TOI (2007). V roce 2009 se Mélanie Doutey pustila do žánrově odlišných snímků: dramatu s hvězdným obsazením RIEN DE PERSONNEL, akční komedie R.T.T., komedie UNE PETITE ZONE DE TURBULENCE a dramatické komedii s dokumentárními prvky LE BAL DES ACTRICES.
Životním partnerem Mélanie Doutey je francouzský herec Gilles Lellouche, s nímž vychovává dceru Avu.