Melville nació en Nueva York. Tenía doce años cuando murió su padre, un comerciante, dejando deudas tras de sí y poniendo fin a toda idea de educación universitaria. Desde los dieciocho navegó como grumete en un paquebote, luego enseñó por un tiempo en una escuela; en 1841 se embarcó hacia los mares del Sur a bordo del ballenero Acushnet. Año y medio después, tras una riña con el contramaestre, desertó cerca de las islas Marquesas, cayó cautivo de los isleños y fue liberado más tarde por la tripulación de un buque de guerra americano. Después de tres años de andanzas volvió a casa para dedicarse a la literatura.
Las novelas sacadas de su propia experiencia — Taipi: una ojeada a la vida polinesia y Omoo: relato de aventuras en los mares del Sur — lo hicieron famoso de inmediato (Taipi siguió siendo en vida el más popular de sus libros). Las marca la huida hacia lo exótico, el rechazo completo de la realidad familiar al lector: Melville se lleva a su héroe a un mundo primitivo, entre isleños de los mares del Sur no tocados por la civilización. Detrás de las tramas atractivas hay una pregunta que inquietó a más mentes que la de Melville: ¿puede uno renunciar a la civilización y volver a la naturaleza?
Mardi, y el viaje hacia allá, novela alegórica de una travesía como búsqueda filosófica del Absoluto, no tuvo éxito. En los libros siguientes, trabajando aún desde la experiencia personal, Melville se propuso analizar el mundo que lo rodeaba y sus relaciones sociales. Escribió Redburn: su primer viaje y Chaqueta Blanca, o El mundo en un buque de guerra — esta última un cuadro del mal y la crueldad del ejército de su tiempo.
Luego abandonó la novela marinera realista y escribió su obra maestra, Moby Dick, o La ballena, proclamando la primacía de lo irracional. En Moby Dick Melville sostiene la irracionalidad de las relaciones sociales; pinta una realidad fantásticamente sombría gobernada por una misteriosa ballena blanca llamada Moby Dick, a la que casi nadie ha visto pero que se hace conocer por «los resultados de sus acciones». Moby Dick lo domina todo; corre el rumor de que está en todas partes a la vez (quizá representa a Dios, o al diablo). La gran mayoría de los contemporáneos de Melville no supo apreciar el libro.
Un año después llegó la novela gótica Pierre, o las ambigüedades — su héroe, un escritor que se siente tan solo en medio de la multitud ruidosa como en el polo —, y tras la paliza crítica que recibió, Melville publicó de forma anónima, colocando relatos en revistas; muchos de ellos se reunieron en los Cuentos de la veranda. Un año antes de esa colección había aparecido la novela histórica Israel Potter: sus cincuenta años de exilio. Su última novela fue El estafador y sus disfraces, una sátira mordaz de la credulidad humana, situada a bordo del Fidèle mientras navega Misisipi abajo.
El dinero ganado sobre todo con los primeros libros aún alcanzaba, y en 1860 Melville dio la vuelta al mundo en barco. De 1866 a 1885, sin embargo, sirvió como funcionario de aduanas. Siguió escribiendo, pero murió poco menos que olvidado. Solo una necrológica anónima habló de un «autor excepcionalmente dotado», poseedor de «una poderosa imaginación poética».