Elle fut élevée par des gouvernantes étrangères et des institutrices françaises qui lui apprirent l'anglais et le français.

A 15 ans, pour s'affranchir de la tutelle familiale, et réaliser son rêve d'actrice que ses parents lui refusent, elle se laisse épouser par Panis Characopos, un fils de famille séduisant et fortuné, diplômé de Cambridge, mais cette union tourne à l’échec et Mélina divorce trois ans plus tard.

Déterminée à devenir comédienne, elle s'inscrit à l'Institut Dramatique du théâtre national à Athènes, où elle est l'élève de Dimítris Rondíris, et commence sa carrière sur scène à Athènes dans « Le chemin de liberté », d’Alexis Solomos, avant de s’installer à Paris,

Très vite, on la rencontre dans le répertoire classique. « Les revenants », d'Ibsen ; « Le deuil sied à Electre », d'O'Neill ; elle joue le rôle de Blanche DuBois dans la célèbre pièce américaine, adaptée en France, « Un tramway nommé Désir » de Tenessee Williams où elle a droit à un standing ovation de la part d'un public qui scande son nom.

Sa rencontre avec Marcel Achard lui donne l’occasion de jouer en 1951 « Le Moulin de la galette » une mise en scène Pierre Fresnay au Théâtre de la Michodière ; et en 1952 au Théâtre Antoine « Les Compagnons de la marjolaine » mise en scène Yves Robert.

C’est le cinéaste grec Michael Cacoyannis, qui lui offre son premier rôle au cinéma en 1955 dans « Stella, femme libre » elle est Stella la chanteuse du Paradis qui chaque soir enflamme la scène, une femme libre, une femme sans morale, une femme facile, sa réputation de putain la pourchasse dans le quartier, ce film lui apporte d'emblée la notoriété.

En 1955, elle rencontre le réalisateur américain, Jules Dassin alors en exil en France (à cause de sa sympathie pour le communisme) qui est en compétition au festival de Cannes avec son film « Du Rififi chez les hommes ». Elle va collaborer sous sa direction dans huit de ses films et va devenir sa muse, son égérie et son mari en 1966. Première collaboration avec « Celui qui doit mourir » (1957) où lors de la reconstitution de la fête de la Passion, elle est Katarina, une veuve aux mœurs légères qui tient le rôle de Marie-Madeleine avec Pierre Vaneck qui incarne le Christ et Roger Hanin Juda.

L’un de leur plus grand succès est venu avec le film « Jamais le dimanche » (1960), une œuvre forte associé pour toujours avec la musique de Manos Hadjidakis et la chanson « Les enfants du Pirée » interprétée de sa voix rauque et envoûtante par Ilya, une prostituée au grand cœur, femme libre d'esprit et insoumise qui vit dans le port du Pirée en Grèce, Homer ,(Jules Dassin) un touriste américain paumé, séduit par l'exubérance et la spontanéité d'Illya tente de la remettre dans le droit chemin, pour sa prestation, Melina reçoit le prix de la meilleure interprétation féminine au Festival de Cannes et sera nommée aux Oscars tout comme Jules Dassin.

Ce film va ainsi mettre le couple sur le devant de la scène internationale. Artiste complète, Melina joue, chante et vit de sa passion entre la France, la Grèce et les États-Unis.

En 1961, Jules Dassin transpose à l’écran l'antique tragédie d'Euripide « Phèdre », Melina dans le rôle titre est la jeune épouse de Thanos (Raf Vallone) un riche armateur grec et père d'Alexis, (Anthony Perkins) elle s'éprend de son beau-fils et connait avec lui un impossible amour qui les conduira au drame.

Pour Claude Autant-Lara dans « Vive Henri IV… vive l’amour ! » (1961), le réalisateur évoque la vie du roi de France Henri IV interprété par Francis Claude et assassiné par Ravaillac (Roger Hanin), Melina tient le rôle de la Reine de France et de Navarre l'autoritaire et charismatique Marie de Médicis, avec au casting une excellente distribution : Pierre Brasseur, Danielle Darrieux, Simone Renant, Bernard Blier, Lise Delamare et bien d'autres…

Sous la direction de son mari dans le divertissant casse « Topkapi » (1963), elle campe une grande amatrice de pierres précieuses, elle recrute son ex-amant, le maître-criminel suisse Walter Harper (Maximilian Schell), pour planifier le vol de la dague du sultan, incrustée de diamants et d'émeraudes, conservée au Palais de Topkapi à Istanbul, avec son fils Joe Dassin , Akim Tamiroff et Peter Ustinov qui gagne l'Oscar du meilleur second rôle.

Juan Antonio Bardem signe un intriguant charivari amoureux, « Les pianos mécaniques » (1964), Vincent, (Hardy Krüger) vient rejoindre un ami (James Mason) dans un petit village espagnol, là, il rencontre Jenny, (Melina Mercouri) une quadragénaire propriétaire d'un bar, aussi désabusée que charismatique qui a peur de vieillir, une liaison s'ébauche entre Vincent et Jenny, mais aucun des deux êtres ne peut faire sortir de l'autre la solitude qui les marque et ils regardent avec lucidité leur échec..

Suivi du film d'espionnage « D pour danger » (1965) de Ronald Neame, en arrivant à Lisbonne, un homme d'affaires américain (James Garner) en possession de diamants est confondu par erreur avec un agent secret britannique, il est aussitôt pisté par plusieurs espions, notamment Aurora et Steve, (Melina Mercouri et Anthony Franciosa) qui vont tenter de lui subtiliser ses diamants.

En 1965, Jules Dassin la dirige une sixième fois dans un drame social, « 10 heures 30 du soir en été », Maria et son mari Pierre (Peter Finch) en compagnie de son amie Claire (Romy Schneider), sont en voyage en Espagne, au cours d'une halte, elle découvre Pierre et Claire dans les bras l’un de l’autre, elle trouve du réconfort en aidant un jeune meurtrier Rodrigo (Julian Mateos) qui vient de tuer sa femme infidèle, à échapper à la police espagnole, voyant que l'étau policier se resserre autour de l'assassin et de sa protectrice, ils vivent des heures inoubliables.

En avril 1967, un fait que personne n’attendait éclate dans son pays natal ; c’est le putsch des colonels de l’armée qui réussissent un coup d’Etat, la Grèce devient une dictature. Melina fait connaître son aversion pour le nouveau pouvoir en place et pour toute réponse elle est échue de sa citoyenneté grecque. Dès lors elle se lance dans la politique et utilise sa renommée internationale pour combattre la junte des colonels en organisant des manifestations et des concerts dans de nombreux pays. Elle fut victime de nombreuses tentatives d’assassinat, heureusement, aucun d’entre eux n’a réussi.

Après deux ans sans tourner, elle retrouve les plateaux de cinéma sous la direction de son mari pour le drame littéraire « La promesse de l’aube » (1969), inspiré du roman éponyme de Romain Gary, Jules Dassin décrit le portrait du jeune homme passionnément attaché à sa mère, une ancienne actrice juive du cinéma muet soviétique (Melina Mercouri) qui élève son fils Romain interprété par Assaf Dayan, dans des circonstances difficiles à travers le plaisir, la douleur, sacrifiant sa vie personnelle et sa santé à son fils, pour qu'il ne manque de rien, la guerre éclate, il est recruté, laissant sa mère très souffrante, pendant toutes ces années de guerre, il reçoit des lettres d’elle qui l’encouragent, mais à son retour en France, Romain apprend que sa mère est décédée depuis trois ans, elle avait chargé une amie de lui envoyer ses lettres pré-écrites avant son décès.

Un mélodrame romantique « Une fois ne suffit pas » (1974) de Guy Green, un producteur de films ruiné, Mike (Kirk Douglas) contracte un mariage sans amour avec une femme très riche (Alexis Smith), qui entretient également en secret une liaison lesbienne avec Karla (Melinda Mercouri), sa fille January (Deborah Raffin) est dévasté d'apprendre que Mike est marié à cette femme grossière et arrogante.

Après le rétablissement de la démocratie en 1974, Melina Mercouri est retournée dans son pays natal pour entamer une carrière politique. Elle fut successivement la députée du parti politique Pasok du Pirée en 1978 et Ministre de la culture de 1981 à 1989 et de 1993 jusqu'à son décès en 1994.

Melina tourne son huitième et dernier film avec son mari « Cri de femmes » (1977) elle est Maya un actrice qui pour préparer son retour sur scène avec la tragédie grecque Medée, elle rend visite à une femme américaine (Ellen Burstyn) qui purge une peine d'emprisonnement pour avoir tué ses propres enfants, après ce contact lors de la mise en scène, Maya est devenue obsédée par elle.

Fumeuse notoire, depuis l'âge de onze ans, Melina Mercouri décède d’un cancer du poumon le 6 mars 1994 au Memorial Hospital de New York. Elle était la belle-mère des trois enfants de Jules Dassin Julie, Richelle et Joe Dassin le célèbre chanteur français décédé à l’âge de 41 ans.

Ses funérailles ont eu lieu à Athènes et ont été suivies par des centaines de milliers de personnes pour dire un dernier adieu à cette grande dame. Selon ses souhaits, elle repose au 1er cimetière d'Athènes, en Grèce au coté de son grand-père Spyros Merkouris., vêtue de sa célèbre robe rouge, qu’elle avait portée lors de ses manifestations contre le putsch des colonels…