Sus películas incluyen El hombre de acero, Wet Hot American Summer, Harold & Kumar Go to White Castle, 12 Monkeys, Runaway Bride, 42, y Fear and Loathing in Las Vegas.

Su ascendencia paterna es italiana, con raíces en Velva [it], Castiglione Chiavarese, Génova y Liguria.

Estudió actuación en la Universidad de Colorado en Boulder y se graduó con un título en historia en 1983.

Después de graduarse, Meloni se fue a Nueva York, donde continuó sus estudios con Sanford Meisner en Neighborhood Playhouse School of the Theatre, así como en Center for the Media Arts.

Meloni fue nominado en 2006 a un Premio Emmy al actor principal en una serie dramática por su papel de Elliot Stabler.

Hizo un cameo en su secuela, Harold & Kumar Escape from Guantánamo Bay, como "El Gran Mago".

También tuvo un papel no acreditado como recepcionista gay de hotel en Fear and Loathing In Las Vegas.

[15]​ También interpreta a John Taylor en el videojuego Call of Duty: Black Ops III.

[18]​ Luego apareció en la tercera temporada de The Handmaid's Tale como Comandante Winslow en 2019.

[20]​ En 1999, Meloni besó en broma a Lee Tergesen (quien interpretó a Tobias Beecher, el novio de Meloni en la pantalla en Oz) en una cena de premiación para GLAAD.

[24]​ Mariska Hargitay, que coprotagonizó con Meloni Law & Order: Special Victims Unit y es una íntima amiga suya, es la madrina de su hija.

[26]​ En 2014, Meloni compró la casa que se usó en el famoso programa de televisión, The Adventures of Ozzie and Harriet.