A los 17 años ingresa en  la Escuela Superior de Diplomática, único centro oficial donde se impartía la disciplina de Arqueología. Tuvo como profesores, entre otros, al arqueólogo Juan de Dios de la Rada, su valedor según sus propias palabras y con quien trabajó codo con codo en sus comienzos en el Museo Arqueológico Nacional (MAN) y al historiador Manuel de Assas, a quien siempre reconoció como su verdadero maestro. En 1881 ingresa en el cuerpo de Facultativos de  Archivos y Bibliotecas habiendo estado de aspirante sin sueldo ya desde 1876 en el MAN. Llega a ser director del Museo de Reproducciones Artísticas de 1901 a 1916, museo creado en 1877 (actualmente depositados sus fondos en el museo de escultura de Valladolid). Además de su dedicación a elaborar un catálogo de las obras de la antigüedad clásica, contribuyó a su difusión a través de las conferencias impartidas y de sus publicaciones. En 1916 vuelve de nuevo al Museo Arqueológico para ponerse al frente de su dirección, cargo que ostentaría hasta 1930, los últimos siete años en calidad de Director honorífico puesto que se jubiló en 1923. Director de las excavaciones de Numancia (1906-1923) y Mérida (1910-1932), donde descubrió el Teatro romano. Fue logro suyo el traer desde Cáceres a Madrid las joyas del tesoro de Aliseda y también la adquisición del medallón de oro de Augusto.

Entre sus numerosas publicaciones podemos destacar, entre otras:  Historia de el arte egipcio (1897); Historia de el arte griego (1897) ; Las Esculturas del Cerro de los Santos : Cuestion de autenticidad (1906); Catálogo monumental de España. Provincia de Cáceres: (1914-1916) 3 vol. (1924); Catálogo monumental de España. Provincia de Badajoz (1907-1910), 3 vol. (1925-1926); Arqueología clásica (1929). La obra  de Daniel Casado Rigalt citada en la bibliografía incluida en esta semblanza recoge un apéndice muy exhaustivo con toda la obra publicada por Mélida tanto monografías como artículos o separatas.

En cuanto a su faceta como novelista cultivó distintos géneros, tanto la novela histórica como el drama y la comedia: El sortilegio de Karnak (1880), fue su primera novela publicada; Diamantes americanos (1892) más romántica que realista; El demonio con faldas : (memorias de un gato) (1884), novela de estilo costumbrista; Luisa Minerva (1886), en la que trata de hacer un retrato social utilizando el recurso de la mitología; En A orillas del Guadarza (1887) intenta reflejar la vida rural;  Salomón rey de Israel : leyenda bíblica (1894), una de sus mejores novelas históricas con una clara intención didáctica; y por último Siete veces feliz (1901) con la que cerró su etapa literaria. Algunas de estas novelas fueron ilustradas por sus hermanos artistas Enrique y Arturo Mélida Alinari.

A lo largo de su amplia carrera recibió numerosas distinciones y condecoraciones: Académico de número de la Real Academia de Bellas Artes de San Fernando y de la RAH; Caballero de la Gran Cruz de la Orden de Isabel la Católica y Caballero de la Gran Cruz de la Orden de Alfonso XII, Medalla de Leopoldo II de Bélgica y miembro de numerosas sociedades como la Sociedad Hispánica de Nueva York o la Sociedad de Anticuarios de Londres.

Fue el arqueólogo de su generación más reconocido fuera de España a nivel internacional y en España se le considera el impulsor del modelo positivista y científico y el que introdujo el rigor histórico en la Arqueología.