Mélanie Bernier naît à Tours et grandit à Veigné (Indre-et-Loire). Son père est instituteur et sa mère employée administrative dans une compagnie d’assurances. Elle pratique le théâtre en amateur dès l'âge de sept ans, puis rejoint une ligue d'improvisation. Elle apparaît pour la première fois sur les écrans à quinze ans dans le téléfilm Rends-moi mon nom et signe un contrat avec un agent. Elle obtient un baccalauréat littéraire, avec mention assez bien. En 2000, Mélanie Bernier débute au cinéma dans Barnie et ses petites contrariétés de Bruno Chiche, où elle joue la fille du couple incarné par Fabrice Luchini et Nathalie Baye. Elle enchaîne ensuite plusieurs seconds rôles à la télévision. En 2008, elle se replie donc vers le théâtre, jouant dans Héloïse, de Patrick Cauvin, mise en scène par Patrice Leconte au théâtre de l'Atelier et enchaîne les seconds rôles au cinéma durant les trois années suivantes : Modern Love, Passe-passe, Mes stars et moi, Le Coach, La Tête en friche, L'Assaut, La Délicatesse. Le début des années 2010 est marqué par des seconds rôles dans des grosses productions dans des genres différents : en 2012, elle participe en effet à la comédie dramatique Populaire, de Régis Roinsard, aux côtés de Déborah François, Romain Duris et Nicolas Bedos. Le film est acclamé par la critique9. Puis en 2013, le réalisateur Julien Leclercq la dirige dans son thriller Gibraltar. Enfin, elle joue dans le film pour enfants Au bonheur des ogres, de Nicolas Bary, avec Bérénice Bejo. Mais cette année-là, elle revient enfin à un premier rôle féminin pour la comédie Les Gamins, d'Anthony Marciano, qui fait 1 million d'entrées. Elle y joue aux côtés d'Alain Chabat et Max Boublil. En 2016, elle est la tête d'affiche du film indépendant La Prunelle de mes yeux, d'Axelle Ropert, racontant une rencontre amoureuse improbable. Puis l'année suivante, elle donne la réplique à Kev Adams pour deux productions successives : d'abord le drame Tout là-haut, de Serge Hazanavicius, puis la comédie romantique Love Addict, de Frank Bellocq. Entre ces deux productions attendues, elle partage l'affiche d'un projet plus modeste, le drame Simon et Théodore, de Mikael Buch, avec Félix Moati. En 2018, c'est Léa Fazer qui lui confie le premier rôle du téléfilm Mystère à la Sorbonne, le septième épisode de la série anthologique Mystère à Paris. Il s'agira finalement du dernier épisode de la série.