Melonie Diaz (* 25. April 1984 in New York City, New York) ist eine US-amerikanische Schauspielerin puerto-ricanischer Abstammung.
Diaz debütierte an der Seite von Denis Leary und Elizabeth Hurley in der Kriminalkomödie Double Whammy aus dem Jahr 2001. Im Filmdrama Sommer in New York (2002) übernahm sie eine der größeren Rollen. Die Nebenrolle im Filmdrama A Guide to Recognizing Your Saints (2006) brachte ihr bei den Independent Spirit Awards 2007 eine Nominierung. In der Komödie Itty Bitty Titty Committee (2007) übernahm sie die Hauptrolle der lesbischen High-School-Absolventin Anna; eine der Nebenrollen spielte in diesem Film Jenny Shimizu. Im Musikdrama Feel the Noise (2007) spielte Diaz neben Giancarlo Esposito eine der größeren Rollen.
2018 wurde sie in die Academy of Motion Picture Arts and Sciences berufen, die jährlich die Oscars vergibt.