María Amalía Mercoúri est née dans une famille de la grande bourgeoisie athénienne. Son grand-père, Spyrídon Merkoúris, fut maire d'Athènes et son père, député.
Elle se marie à 15 ans pour fuir le milieu familial. Elle divorce à 18 ans et s'inscrit à l'Institut Dramatique du Théâtre National d'Athènes. Elle commence alors une carrière de comédienne qui se déroule entre Athènes et Paris, travaillant notamment avec
Marcel Achard.
Le cinéaste grec Michael Cacoyannis, réalisateur de
Zorba le grec, lui offre son premier rôle au cinéma en 1955 dans Stélla, film qui lui apporte d'emblée la notoriété. Peu après, elle rencontre le réalisateur américain en exil Jules Dassin dont elle devint l'égérie. Dassin la fait tourner dans huit films et ils se marient en 1966. Le film
Jamais le dimanche (1960) apporte au couple une grande renommée internationale. Pour ce film, Melina Mercouri reçoit le prix d'interprétation féminine au festival de Cannes et est nommée aux Oscars.
À la suite du coup d'État fomenté en Grèce par les colonels en 1967, privée de ses droits civiques, Melina Mercouri s'exile en France. Dans des tournées internationales, elle se fait dès lors le chantre de la résistance grecque à la dictature.
Dès la chute de la dictature, en 1974, elle rentre en Grèce où elle entame une carrière politique qui l'amène à progressivement arrêter le cinéma. Elle sera successivement députée du Mouvement socialiste panhellénique pour Le Pirée en 1978 et Ministre de la Culture (voir politique de la Grèce) de 1981 à 1989 puis de 1993 jusqu'à sa mort. Elle s'est battue notamment, mais sans succès, pour le retour des frises du Parthénon, exposées au British Museum. Dans le cadre du Conseil européen, elle crée, en 1985, le concept des capitales européennes de la culture. Conçue pour « contribuer au rapprochement des peuples européens », son idée était de désigner deux villes par an pour accueillir le théâtre de manifestations artistiques et mettre à l'honneur leur patrimoine historique et culturel.
La Fondation Melina Mercouri s'occupe aujourd'hui de la préservation des monuments grecs antiques.