Мелони Диас родилась 25 апреля 1984 года в городе Нью-Йорк, США. Девочка росла вместе со своей старшей сестрой на Нижнем Ист-Сайде в семье выходцев из Пуэрто-Рико. Мелони с детства интересовалась сценическим искусством, и по окончании школы училась актерскому мастерству в «The Professional Performing Arts School» и «The Henry Street Settlement», а затем со степенью в области кинопроизводства окончила известную Школу искусств Тиш при Нью-Йоркском университете.
Диас начинала как театральная актриса, а в 2001 году дебютировала на экране - в криминальной комедии «Наперекосяк». На счету Мелони Диас около 40 ролей в кино и на телевидении. Наиболее известные из них она сыграла в картинах «Лесбийский комитет», «Короли Догтауна», «Как узнать своих святых», «Перемотка», «Станция «Фрутвейл», сериалах «Ро» и «Части тела».
В 2007 году актриса появилась в фильме «Почувствуй ритм», затем ее фильмография пополнилась такими картинами, как «Ошеломление», «Убийство школьного президента», «Американский сын», «Гамлет 2», «Я прибегу», «Это моя девушка». В 2015 году актриса выступила в роли продюсера короткометражной ленты «Wedding Dress». В 2018 году Мелони снялась в фильме режиссера Нэша Эдгертона «Опасный бизнес».