Мелании Тьеррии родилась 17 июля 1981 года в городе Сен-Жермен-ан-Ле, Франция. В раннем возрасте девушка начала карьеру модели. Не смотря на маленький рост и не стандартную фигуру, к 18 годам она стала одной из самых востребованных моделей Франции. Параллельно стала принимать участие в съемках фильмов, не получивших известности за пределами страны.

В 1999 году состоялся ее актерский дебют в музыкальной драме итальянского режиссера «Легенда о пианисте». Джузеппе Торнаторе решил пригласить Мелании в свой фильм после того, как увидел ее фотографии в одном из номеров журнала Vogue-Италия.  Следующим проектом для девушки стала роль Эсмеральды в картине Патрика Тимсита «Квазимодо», а затем - комедия «15 августа».

Вскоре она появилась в нескольких популярных телесериалах, а также сыграла главную роль в постановке нашумевшей пьесы Аманды Штер «Старый белокурый еврей». За главную роль в парижской постановке пьесы Теннесси Уильямса «Куколка» / «Baby Doll» Тьерри номинировалась в 2009 году на премию Мольера. В 2009 году она исполнила главную роль в драме Филиппа Годо «На посошок», получив за эту работу свою первую премию «Сезар» в номинации «Самая многообещающая молодая актриса».

В 2010 году Мелани стала лицом рекламной кампании духов «Belle d’Opium» - новой версии аромата от «Yves Saint Laurent». 

Ее первым голливудским фильмом стал фантастический боевик «Вавилон нашей эры», в котором Мелани сыграла Аврору. После этого фильма она получила всемирную известность. Лучшими фильмами с ее участием считаются «Легенда о пианисте», «Закон противоположностей», «Ларго Винч: Начало», а так же сериал «Пустая корона». Так же она достаточно известна по фильмам «Танцовщица», «Идеальный день», «Как братья», «Принцесса де Монпансье», «До свидания там, наверху» и многим другим.