Nascida em uma família política, Melissa Sagemiller começou seu caminho para as artes do espetáculo em uma idade muito jovem. Aos três anos, ela começou a estudar dança - sapateado, balé, jazz e moderno. Depois de responder a um anúncio no Washington Post, ela fez sua estréia no palco às 9 como "Dill" em "To Kill a Mockingbird". Logo ela se tornou regular nos palcos locais de DC. Agindo ficou em segundo plano quando Eileen Ford descobriu Melissa em uma joalheria em Manhattan aos 14 anos de idade. A modelagem a levou para Nova York e Paris. Logo ela deixou Paris e seguiu com seu desejo inicial de ir para a Universidade da Virgínia e retomar uma vida estudantil "normal" estudando História da Arte. Quando decidiu voltar a atuar em tempo integral, começou a estudar no Conservatório Stella Adler, no Stonestreet Studio da NYU e no Michael Howard Studio. Sua vida profissional como ator começou pouco depois.
