Родился 1 мая 1928 года в с. Мазаново, Амурской области.
По окончании ВГИКа в 1952 году (мастерская С. И. Юткевича и М. И. Ромма) снял ряд документальных фильмов на Ленинградской киностудии научно-популярных фильмов («За новые луга и пастбища», «В колхозном клубе», «Новая мелиоративная машина» и др.).
С 1964 года на киностудии «Ленфильм», с 1989 — художественный руководитель киностудии «Голос» («Ленфильм»).
В 1995 году избран секретарём Санкт-Петербургского союза кинематографистов.
Дебютировал как режиссер в 1965 фильмом «Барбос в гостях у Бобика». Но настоящим режиссерским его дебютом стала картина «Начальник Чукотки». На традиционном историческо-революционном материале была разыграна героическая комедия, в которой слышались и пародийные и даже водевильные ноты. Дебют получился оригинальным, ярким, мастерским.
Мельников из сибирской деревни на Иртыше, где прошло его военное детство. Он не растворил своей народной самобытности, естественности, цельности, человечности, контактности ни в стенах столичного вуза, ни в ленинградской кинематографической среде сумев эти личные качества переплавить в особенности творческого поведения, в принципы режиссерской профессии. Великолепный рассказчик, насмешник, импровизатор
Конечно, отсюда особая манера его кинорассказа, где печаль пополам с весельем, насмешливость с чувствительностью, наблюдательность с преувеличением. Не потому ли так непросто определить жанр его фильмов: комедия с элементами драмы, или драма с элементами комедии, или жанр под названием «кино Виталия Мельникова»?! Не оттого ли он глубже и органичнее многих других «прочел» загадочного Вампилова в «Старшем сыне» и «Отпуске в сентябре», «Утиной охоте».
Конечно, отсюда замечательная актерская раскованность на съемочной площадке, когда исполнители удивляют самих себя, являются эдакими знакомыми незнакомцами. Например, Олег Даль — Зилов («Отпуск в сентябре»), Станислав Любшин — бульдозерист Федор («Ксения — любимая жена Федора»), Олег Ефремов — Виктор («Мама вышла замуж»). Евгений Леонов — кларнетист Сарафанов («Старший сын»).
Незабываемые мельниковские женщины, героини его фильмов, выбранные им так, точно они родились для этих ролей, — штукатур Зина, мама, неожиданно вышедшая замуж, Люсьены Овчинниковой; Ксения, любимая жена, Аллы Мещеряковой, птичница Александра Людмилы Зайцевой, Агафья Тихоновна, вечная невеста, Светланы Крючковой.
Его персонажами, такими узнаваемыми, простыми, живыми, как чеховскими, можно населить целый город, с пригородами и ближайшими деревнями. Семья, дом эти непременные «участники» мельниковских фильмов были частью большого социального, советского мира. Из него, при всей его прозаичности, режиссер извлекал поэтическое, при всей его бесчеловечности — человеческое. Он крепко держался за современность в сценариях Ю. Клепикова, В. Валуцкого, В. Мережко. Лишь изредка изменяя ей с классикой: ранняя проза Ф. Достоевского — «Чужая жена и муж под кроватью», комедия Н. Гоголя «Женитьба»
Обращение к прошлому в фильме начала 1980-х годов «Две строчки мелким шрифтом» оказалось закономерным. История завладевала вниманием режиссера. Его фильмы 1990-х годов «Царская охота» и «Царевич Алексей» — это екатерининская и петровская Россия. Это жанр исторической костюмной мелодрамы. И если в него всмотреться и вслушаться это тоже «кино Мельникова», где лирик скрывается под маской бытописателя, философа-историка, психолог-жанриста.