Katie Melua è nata in Georgia, dove il padre lavorava come cardiochirurgo. Nel 1993 la famiglia si trasferì da Tbilisi a Belfast (Irlanda del Nord) dove al padre era stato offerto un posto al prestigioso Royal Victoria Hospital, e dove frequentò la St. Catherine's Primary School e poi il Collegio Domenicano di Fortwilliam.
Per una possibilità di lavoro del padre la famiglia si trasferì ancora a South East London nel 1998. A 15 anni, Katie Melua vinse un concorso per giovani talenti organizzato dall'emittente britannica ITV, cantando Without You dei Badfinger. Si diplomò poi alla Brit School for the Performing Arts con una "A" in musica.

Katie Melua cominciò a scrivere canzoni nel 2001, a 16 anni.Mentre si stava esibendo in uno spettacolo organizzato dalla Brit School attirò l'attenzione di Mike Batt, compositore musicale, produttore ed autore di testi inglesi, che era in ricerca di un'artista capace di cantare "jazz e blues in maniera interessante", la scritturò per la sua casa discografica (la Dramatico) e le fece fare le prime prove in studio. Melua ammise di non essere stata assolutamente a conoscenza del fatto che Batt fosse stato il leader della band degli anni settanta The Wombles finché non vide delle copie dei loro dischi nel suo studio (The Wombles si esibivano sempre vestiti da pupazzi, i wombles appunto, dalla cui serie TV avevano preso il nome).

Nel 2003 esce il primo album, “Call Off the Search”, che contiene due canzoni scritte da Katie Melua: “Belfast (Penguins and cats)” e “Faraway voice”, sulla morte del suo idolo Eva Cassidy. L'album contiene inoltre cover di Delores J.Silver (“Learnin' the blues”), John Mayall (“Crawling up a hill”), Randy Newman (“I think it's going to rain today”), e James Shelton (“Lilac wine”). Altre sei canzoni dell'album vengono scritte da Mike Batt. Inizialmente è difficile ottenere passaggi radiofonici per il singolo “The closest thing to crazy”; le cose cambiano dopo che il produttore di BBC Radio 2 Paul Walters ascolta la canzone e la include nel popolare show di Terry Wogan. Grazie a questo sostegno, quando l'album esce è un immediato successo, arrivando al numero 1 della classifica britannica nel gennaio 2004; l'album vende 1.2 milioni di copie in UK e 3 milioni complessivamente in tutto il mondo.

Dopo la pubblicazione Katie Melua ha il modo di duettare con Jamie Cullum interpretando “Love Cats” ai Brit Awards. Collabora al 20º anniversario del Band Aid, unendosi al coro di star della musica britannica che incide “Do They Know It's Christmas?” nel novembre del 2004 per raccogliere fondi per aiutare le regioni dell'Africa vittime della denutrizione. Il 19 marzo 2005 realizza quello che dice essere stato uno dei suoi sogni d'infanzia, cantando “Too Much Love Will Kill You” con i Queen (Brian May e Roger Taylor (riunitisi in quell'anno in una nuova formazione con Paul Rodgers), ad un concerto in Sudafrica. Nel dicembre del 2005 ha inoltre duettato con The Pogues per la trasmissione CD UK in Fairytale of New York.

Nell'agosto del 2005, Katie Melua diventa cittadina britannica giurando davanti alla Regina Elisabetta II nella cerimonia dedicata.
Il suo secondo album, “Piece by Piece”, è stato pubblicato il 26 settembre 2005; il singolo “Nine Million Bicycles”, era invece stato pubblicato il 19 settembre dello stesso anno. Oltre a questa nell'album ci sono quattro canzoni scritte da lei, quattro da Batt, una scritta a quattro mani da entrambi, e tre rifacimenti di vecchie canzoni per un totale di dodici tracce. L'album ha debuttato al primo posto della classifica britannica il 3 ottobre 2005. Il 5 dicembre uscì il singolo di “I Cried For You” contenente una cover di “Just Like Heaven” dei The Cure, colonna sonora del film omonimo del 2005. Il terzo singolo, “Spider's We”b è stato pubblicato il 17 aprile 2006.

Il 2 ottobre 2006 ha cantato con il suo gruppo a 303 metri sotto la superficie del mare del Nord, stabilendo il guinness dei primati per il concerto tenuto alla più grande profondità marina.

Nel 2007 ha partecipato al film di Quentin Tarantino, “Grindhouse - A prova di morte”. Nel dicembre 2007, Melua ha realizzato il singolo “What a wonderful world”, cover del brano di Louis Armstrong registrato come duetto virtuale basandosi su una registrazione di Eva Cassidy. Tutti i proventi del singolo, che è arrivato alla prima posizione in UK, sono stati devoluti alla Croce Rossa.
Il terzo album di Katie Melua, “Pictures”, è stato annunciato come l'ultimo realizzato in collaborazione con Mike Batt. L'amica di Katie Molly McQueen, già leader dei The Faders, è co-autrice del brano “Perfect circle”.
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I 25 marzo 2008 Katie Melua inizia la sua tournée denominata Live Tour 2008 che la porta in numerose città della Francia (due concerti a Parigi) e della Germania, oltre a tre appuntamenti in Polonia ed altri in Svizzera, Belgio, Olanda, Danimarca, Austria, Slovenia e Italia

Il quarto album di Katie Melua, dal titolo “The House” viene pubblicato in Inghilterra il 24 maggio 2010. Tra gli autori dei brani vi sono Lauren Christy, Guy Chambers e Rick Nowels. Il disco è stato prodotto da William Orbit.

A due anni di distanza, esce il quinto album in studio della Melua, “Secret Symphony”, rilasciato il 5 marzo 2012. L'album è stato registrato in collaborazione con Mike Batt.