Мелани Дотей родилась в Париже. Отучившись в школе, будущая актриса поступила в Парижскую национальную консерваторию драматического искусства. Диплом получила в 2002 году, параллельно занимаясь в Dutch Education User Group, где происходил обмен опытом и знаниями. Ее первый кинодебют состоялся еще во время учебы в 1999 году, когда молодая актриса получила небольшую роль в картине «Люди, которые любят». После чего ее стали приглашать на эпизодические роли в разные короткометражные ленты. Мелани Дотей была быстро замечена профессионалами кинобизнеса и уже в 2002 году, после окончания консерватории, ей предложили сняться в главной роли в картине «Брат воина». Мелани была номинирована за него на премию кинофестиваля «Сезар» как самая многообещающая актриса.

С 2005 года она получила постоянную роль в телесериале «Секс в большом Париже», за который была удостоена награды за лучшую женскую роль на Международном фестивале в Монте-Карло. Съемки сериала продолжались вплоть до 2008 года. Кроме большого кино, актриса выступала в театре. В 2003 году ей принесла головокружительный успех роль в постановке L'Eventail de Lady Windermere. Среди ее работ можно также выделить картины «Президент», «Честная игра», «Мое место под солнцем», «Выходные», «Сегодня ночью я сплю с тобой», «Бал актрис», «Любовь на стороне», «Маленькая зона турбулентности». В общей сложности Мелани Дотей приняла участие в съемках более тридцати картин.

Актриса замужем за режиссером и актером Жиллем Лелушем. В сентябре 2009 года в молодой семье родилась девочка, которую назвали Авой. Несмотря на появление в семье ребенка, Мелани продолжает заниматься карьерой, играя в кино и театре.