Один из пионеров кинематографа.
Родился в Париже в семье состоятельного фабриканта, владельца обувной фабрики. С детства увлекался рисованием, картонными куклами и постановкой кукольных спектаклей. Огромное влияние на него оказали фокусы и оптические иллюзии знаменитого Робера Удена (Houdin; в честь него некий Эрих Вайсс взял впоследствие псевдоним Гарри Гудини). После службы капралом в пехоте, вопреки желанию отца поступил в Школу изящных искусств, затем учился в Лондоне. Вернувшись, он стал фокусником и иллюзионистом, одновременно печатая в сатирическом журнале карикатуры под псевдонимом "Джордж Смайл".
В 1888 Мельес продал свою долю семейного предприятия брату, чтобы купить у вдовы Удена его театр, который вскоре вновь прославил своими изобретательными и пестрыми постановками. Он присутствовал на первом сеансе братьев Люмьер в Париже 28 декабря 1895 года, и когда Люмьеры отказались продать ему свое изобретение, он отправился в Лондон, где купил проектор у Роберта Пола. Закупив также несколько лент компании Эдисона, с 4 апреля 1896 года он регулярно включал их показ в свои представления. Вскоре он заказал камеру по собственным чертежам и приступил к производству фильмов, имитируя поначалу продукцию Люмьеров, снимая короткие бытовые сценки. Однако Мельес первым понял возможности нового зрелища и использовал свой талант иллюзиониста, чтобы расширить их. По легенде, истинность или апокрифичность которой установить трудно, ему помог случай: однажды во время уличной съемки в камере заел механизм, и пленка на короткое время остановилась, затем снова пошла. За этот промежуток сцена изменилась, и когда пленку проявили, автобус на месте остановки превратился в катафалк. Так родилась магия кино, и очень скоро Мельес открыл практически все спецэффекты, известные нам сегодня; а некотрые из его эффектов не объяснены по сей день.
В 1897 он переоборудовал свой театр исключительно под киносеансы и построил в Монтрее первую в Европе киностудию, где начал снимать в павильоне, используя искусственное освещение. Он снимал «реконструированную», то есть фальшивую, хронику (например, коронацию Эдуарда VII, воссозданную в студии до самого события), примитивные экранизации литературных произведений, но прежде всего оригинальные собственные сюжеты, выступая как автор сценария, оператор, художник, режиссер и исполнитель главных ролей, часто играя фокусника или дьявола, своего излюбленного персонажа. Гвоздем сезона 1899 была «Золушка» (Cendrillon), состоявшая из 20 сцен и продолжительностью в 10 раз превышавшая большинство картин того времени, шедших 1-2 минуты. Другое новаторство ленты заключалось в том, что у экранного действия было начало, середина и конец: она рассказывала историю.
Если Люмьеры положили начало реалистическому направлению в кинематографе, используя свое изобретение лишь для документальной съемки сцен из жизни, то Мельес ввел в кино вымысел, фантазию и воображение. Одной из его самых знаменитых картин было «Путешествие на Луну» (Le voyage dans la Lune, 1902), продолжительностью в 21 минуту. Помимо фильмов с фантастическими сюжетами, он снимал и практически бессюжетные ленты, бывшие лишь предлогом для демонстрации его уникальной изобретательности и фантазии.
Фильмы Мельеса были крайне популярны в США, где их копировали пиратским способом; он пытался боротся с этим и даже открыл американский филиал компании под руководством своего брата Гастона. Однако Мельес был плохим бизнесменом, и когда новизна его экранных фокусов поблекла, студия стала приносить убытки. Американские картины постепенно обошли его фильмы сложностью и техническим качеством, и в 1912, после одной из своих последних и лучших лент, «Завоевание полюса» (A la conquete du pole), он вынужден был закрыть собственное производство. В 1915 он переоборудовал студию под варьете и вернулся к профессии фокусника. В 1923 он был объявлен банкротом, театр Удена снесли, сотни негативов с фильмами Мельеса отправили на переплавку. Всеми забытый, он несколько лет прожил на грани нищеты. В 1926 он случайно встретил одну из своих бывших звезд, Жанну д'Альси, и женился на ней, начав торговать в принадлежавшем ей небольшом магазине игрушек на вокзале Монпарнас.
Запоздалое признание пришло к нему в 1928. Его вклад в кино был наконец оценен; Чаплин назвал его "алхимиком света", Д.У. Гриффит сказал: "Я обязан ему всем". Мельес получил в 1931 орден Почетного Легиона и закончил свои дни в пансионе для престарелых актеров, до конца жизни надеясь вновь вернуться к творчеству. Его фильмы до сих пор могут поражать воображение; он был одним из самых выдающихся фантазеров и изобретателей в истории кино.