Katie Melua groeide op in Koetaisi (Georgië) en later in hoofdstad Tbilisi. Op achtjarige leeftijd verhuisde ze met haar ouders naar Belfast, Noord-Ierland en nog later naar Londen (Engeland). Dit vanwege het beroep van haar vader, hartspecialist.
In Londen ging Katie Melua naar de BRIT School for the Performing Arts & Technology. Deze door de muziekindustrie ondersteunde school staat bekend als leverancier van beroemde artiesten. In 2003 werd Katie Melua ontdekt tijdens een showcase door Mike Batt (zelf ook zanger en tekstschrijver, maar ook arrangeur en producent) die op zoek was naar een zangeres met aanleg voor jazz en blues.
Haar eerste album Call Off The Search werd in 2003 uitgebracht. Hierop staan twee nummers van haarzelf. Haar tweede album Piece by Piece kwam uit op 26 september 2005.
Op 19 maart 2005 kwam haar grootste droom uit door samen met overgebleven leden van de Britse rockband Queen het nummer Too Much Love Will Kill You ten gehore te brengen op een anti-AIDS-concert in Zuid-Afrika. Het concert bracht een recordbedrag in de strijd tegen aids/hiv op.
In 2005 wint Katie Melua een European Border Breakers Award. De European Border Breakers Awards zijn prijzen die jaarlijks worden uitgereikt aan tien jonge veelbelovende Europese artiesten die het jaar ervoor succesvol buiten de eigen landsgrenzen debuteerden.
In 2007 maakte Katie Melua haar opwachting tijdens het openingsgala van het North Sea Jazz Festival in Rotterdam, maar ook op het festival zelf, waar ze in 2004 voor de eerste keer optrad (toen nog in Den Haag), zou ze een optreden verzorgen. Er werd gelijk van de gelegenheid gebruikgemaakt om een tegel op de Walk of Fame Europe in te wijden. Eveneens in 2007 kwam haar derde album Pictures uit.
Op 13 april 2008 trad ze op in Ahoy in Rotterdam, dat volledig uitverkocht was.
In mei 2009 bracht Melua een live-cd uit die door Mike Batt gemixt was. Het studioalbum The House, dat geproduceerd is door William Orbit, kwam op 21 mei 2010 uit in Nederland, en twee dagen later in België.
Melua's album Secret Symphony, in samenwerking met Mike Batt opgenomen in de Air Studios in Londen, kwam op 2 maart 2012 uit in Nederland en op 5 maart in het Verenigd Koninkrijk.