Γεννήθηκε στο Παρίσι, όπου η οικογένειά του διατηρούσε υποδηματοποιείο. Πριν την ενασχόλησή του με τον κινηματογράφο, ήταν θαυματοποιός και ταχυδακτυλουργός στο Θέατρο Ρομπέρ Χουντίν, πραγματοποιώντας εμφανίσεις επί σκηνής.

Το ενδιαφέρον του για τον κινηματογράφο ξεκίνησε με την προβολή ταινιών από τους αδελφούς Λυμιέρ, το 1895. Ένα χρόνο αργότερα άρχισε να σκηνοθετεί ο ίδιος ταινίες, παρουσιάζοντας σε πολλές από αυτές ταχυδακτυλουργικά θεάματα. Εκτιμάται ότι συνολικά σκηνοθέτησε 531 ταινίες από το 1896 μέχρι το 1914, διάρκειας από ένα έως σαράντα λεπτά.

Η πιο δημοφιλής ταινία του Μελιές είναι το Ταξίδι στη Σελήνη (Le voyage dans la lune), του 1902, όπου περιγράφεται κινηματογραφικά για πρώτη φορά ένα διαστημικό ταξίδι, αποτελώντας μία πρώτη μορφή ταινίας επιστημονικής φαντασίας. Ο Μελιέ φέρεται επίσης ως ο δημιουργός της πρώτης ταινίας τρόμου, Το Κάστρο του Διαβόλου (Le Manoir du Diable) το 1896, καθώς και των πρώτων έγχρωμων ταινιών, τις οποίες κατάφερε να δημιουργήσει χρωματίζοντας τα κινηματογραφικά καρέ με το χέρι.

Το 1897 σκηνοθέτησε και γύρισε ταινίες μικρού μήκους με θέμα την Ελλάδα, όπως η Ναυμαχία στην Ελλάδα και οι Σφαγές στην Κρήτη.

Το 1913, η κινηματογραφική εταιρεία που είχε ιδρύσει πτώχευσε, γεγονός που τον απομάκρυνε από τον χώρο του κινηματογράφου ενώ μεγάλο μέρος των έργων του καταστράφηκε. Η συνεισφορά του επανεκτιμήθηκε αργότερα από την ομάδα των υπερρεαλιστών ενώ το 1931 του απονεμήθηκε το Βραβείο της Λεγεώνας της Τιμής. Πέθανε το 1938 στο Παρίσι.

Από το 1946 έχει θεσμοθετηθεί στη Γαλλία η ετήσια απονομή του Βραβείου Μελιές για την καλύτερη γαλλική κινηματογραφική παραγωγή.