Melissa Fumero (née Melissa Gallo) naît à North Bergen, dans le New Jersey[1], le [2]. Elle est la fille d'un couple cubain. Son père Carlos Gallo est professeur de mathématiques et sa mère Martha Gallo est coiffeuse[3]. Ses parents émigrent aux États-Unis lorsqu'ils sont adolescents. Elle grandit à Guttenberg puis déménage à l'âge de six ans à Lyndhurst[1].
Melissa Gallo fait ses débuts en tant qu'actrice à l'âge de vingt-deux ans juste après sa sortie de l'Université de New-York[5]. Elle obtient son premier rôle cinq heures après avoir été diplômée, dans la série télévisée On ne vit qu'une fois[4]. Elle incarnera le rôle d'Adriana Cramer(en), la fille de Dorian Cramer Lord, de 2004 à 2011[6].
De 2007 à 2010, elle apparaît dans cinq épisodes de Gossip Girl dans la peau de Zoe, l'une des séides de Blair Waldorf.
En 2010, elle apparaît dans l'un des épisodes de la série télévisée Mentalist. Les deux années suivantes, elle joue dans un épisode des séries télévisées Royal Pains et Les Experts : Manhattan.
Ses apparitions en tant que personnage secondaire l'ont fait connaître du grand public, mais sa carrière prend une tout autre tournure, en 2013, lorsqu'elle décroche le rôle du lieutenant Amy Santiago[9] dans la série Brooklyn 99. La série est diffusée entre le 17septembre2013 et le sur le réseau Fox[10] et entre le et le sur le réseau NBC[11].
Pour sa première saison, la série remporte en 2014 le Golden Globe de la meilleure série télévisée musicale ou comique à la surprise de certains commentateurs[12]. Melissa Fumero remporte par ailleurs, en 2015, un NHMC Impact Awards dans la catégorie « réalisations et contributions exceptionnelles à l'image positive des Latinos dans les médias »[13] et trois nominations dans la catégorie « meilleure actrice dans une série télévisée » au Imagen Awards en 2015, 2016 et 2019[14].
Le , elle s'est mariée à sa co-vedette de la série On ne vit qu'une fois,David Fumero, et se fait depuis appeler Melissa Fumero[2],[16]. Le , une heure avant que la chaine FOX renouvelle Brooklyn Nine-Nine pour une quatrième saison, elle donne naissance à un garçon nommé Enzo. En , sur Instagram, elle annonce sa seconde grossesse que les producteurs choisissent d'intégrer à la série Brooklyn Nine-Nine. Le , naît son deuxième fils, Axel.
