Sa mère, attachée de presse, permet à Melvil de rencontrer, alors qu'il n'a que 10 ans, le réalisateur Raoul Ruiz. Il deviendra l'un de ses comédiens favoris :
La ville des pirates,
L'éveillé du Pont de l'Alma, L'île au trésor,
Trois vies et une seule mort,
Généalogies d'un crime et
Le temps retrouvé...
Dans
La Fille De Quinze Ans,
Jacques Doillon offre à Melvil, âgé de 16 ans, un rôle torturé qui lui vaudra une nomination au César du meilleur espoir masculin. Il sera nommé une deuxième fois pour
Les gens normaux n'ont rien d'exceptionnel, de Laurence Ferreira Barbosa. On le voit aussi dans
L'Amant de
Jean-Jacques Annaud.
En parallère de sa carrière d'acteur, Melvil Poupaud réalise des courts-métrages, et joue avec son frère Yarol dans le groupe de fusion MUD. En 2002 il sort son premier album solo,
Un simple appareil.
Plutôt familier du cinéma d'auteur, il tourne pour
Eric Rohmer (
Conte d'été), Graham Gruit (
Le Ciel est à nous,
Les Kidnappeurs), James Ivory (
Le Divorce), Marion Vernoux (
Reines d'un jour),
Noémie Lvovsky (
Les sentiments)…
En 2005,
François Ozon lui confie le rôle titre de son film
Le Temps Qui Reste.
Il tient le premier rôle d'
Un homme perdu de Danielle Bird, présenté à la Quinzaine des réalisateurs du
festival de Cannes 2007.