Fille de politicien (son père fut plusieurs fois ministre et député, et son grand-père maire d'Athènes), Melina intègre l'Ecole dramatique du Théâtre National Hellène contre le gré de sa famille. Elle fait ses armes dans une comédie d'Alexis-Salomons.
Melina Mercouri fait sa première apparition en 1955 à l'écran dans le deuxième film de Michael Cacoyannis, Stella. Son rôle de jeune prostituée la révèle au monde entier. Mercouri reste dans un registre tragique pour camper la Marie-Madeleine de Celui qui va mourir (1956), adapté par Jules Dassin du roman de Nikos Kazantzakis, Le Christ recrucifié. Elle se tourne par la suite vers la comédie et séduit en 1960 le jury du festival de Cannes avec son rôle de prostituée dans Jamais le dimanche. Elle joue à nouveau pour Jules Dassin dans Phaedra (1962), Topkapi (1963) et Dix heures du soir en été (1966). Elle incarne Marie de Médicis dans Vive Henri IV, vive l'amour (1961) de Claude Autant-Lara, et joue pour Vittorio De Sica dans Le Jugement dernier (1962). Elle apparaît pour la dernière fois sur les écrans en 1978, dans un film de Jules Dassin, Cri de femme.
Milena Mercouri a fait de la politique. Elle est élue député socialiste en 1977 et le Premier Ministre Andreas Papandreou la place à la tête du Ministère de la Culture en 1981.
Longs métrages 1955 | Stella Stella, femme libre | Michael Cacoyannis |
| 1956 | Celui qui doit mourir | Jules Dassin |
| 1957 | Gypsy and the Gentleman (The) Gipsy | Joseph Losey |
| 1958 | Loi (La) | Jules Dassin |
| 1960 | Pote tin kyriaki Jamais le dimanche | Jules Dassin |
| 1960 | Vive Henri IV, vive l'amour | Claude Autant-Lara |
| 1961 | Giudizio universale (Il) Le Jugement dernier | Vittorio De Sica |
| 1962 | Canzoni nel mondo Sexy de nuit | Vittorio Sala |
| 1962 | Phaedra | Jules Dassin |
| 1962 | Victors (The) Les Vainqueurs | Carl Foreman |
| 1963 | Topkapi | Jules Dassin |
| 1964 | Pianos mecanicos (Los) Les Pianos mécaniques | Juan Antonio Bardem |
| 1965 | 10:30 p.m. Summer 10 H 30 du soir en été | Jules Dassin |
| 1965 | A Man Could Get Killed D pour danger | Cliff Owen, Ronald Neame |
| 1968 | Gaily, Gaily [Chicago, Chicago] | Norman Jewison |
| 1969 | Promesse de l'aube (La) | Jules Dassin |
| 1974 | Jacqueline Susann's "Once Is Not Enough" Une fois ne suffit pas | Guy Green |
| 1974 | Rehearsal (The) | Jules Dassin |
| 1976 | Nasty Habits Drôles de manières | Michael Lindsay-Hogg |
| 1978 | Cri de femmes | Jules Dassin |