Formée au Conservatoire municipal de musique et d’art dramatique de Saint-Laurent-du-Var dans les Alpes-Maritimes, Mélissa Polonie obtient une licence en Arts du spectacle, option théâtre, à l’Université Côte d’Azur. En 2018, Irina Brook la dirige dans Le Songe d’une heure présenté au Théâtre national de Nice. Trois ans plus tard, elle joue, avec la compagnie Les Collectionneurs, dans une adaptation en comédie musicale d’On purge bébé de Feydeau à Nice puis à Paris.

Après un passage au Conservatoire à rayonnement régional de Nice, Mélissa Polonie intègre la Classe libre du Cours Florent à Paris et remporte le Prix Olga Horstig 2023. Elle rejoint la troupe du Théâtre de la Ville et joue, sous la direction d’Emmanuel Demarcy-Mota, dans Wanted Petula de Fabrice Melquiot en 2023 et le rôle de Puck dans Le Songe d’une nuit d’été de William Shakespeare en 2024. Au cinéma, elle tourne dans Anges & Cie de Vladimir Rodionov et McWalter de Simon Astier.

Artiste auxiliaire de la troupe de la Comédie-Française depuis le 22 septembre 2025, elle a interprété le rôle de Clara dans Casse-Noisette ou le Royaume de la nuit par Johanna Boyé pour ses débuts à la Comédie-Française. Engagée en tant que pensionnaire à partir du 1er janvier 2026, elle joue le rôle de Freya dans Bestioles de Lachlan Philpott mises en scène par Séphora Pondi, elle chante dans La Ballade de Souchon mise en scène par Françoise Gillard et interprète Urbain dans La Vie parisienne d’Offenbach mise en scène par Valérie Lesort.