Melonie Diaz nació el 25 de abril de 1984, en Nueva York, Estados Unidos. Hija de padres de ascendencia puertorriqueña, Melonie se interesó en la actuación cuando participó en un curso en el Henry Street Settlement, para luego seguir su preparación en la escuela de Artes Escénicas, en Nueva York.

Estudió drama y producción en Tisch, lo que le llevó a presentarse en teatro, en Off-Broadway, en diversas ocasiones. Debutó en el cine, en la cinta Double Whamy (2001), a la que siguieron participaciones en cintas como Camino a casa (2002) y en series como Queens Supreme (2003) y La ley y el orden (2003). Su primer gran papel fue el de Blanca, en la aclamada cinta independiente Los amos de Dogtown (2005). A raíz de su participación, Melonie se convirtió en una actriz común en el cine independiente.

En su trayectoria, están sus participaciones en cintas como The Beautiful Ordinary (2007), La conspiración (2008), Save the Date (2012), She Wants Me (2012), Fruitvale Station (2013), The Belko Experiment (2016), y apariciones en televisión, en series como Ro (2012), Girls (2014) y The Breaks (2017), entre otras.