Melonie Diaz (New York, 25 april 1984) is een Amerikaanse actrice van Puerto Ricaanse afkomst. Ze werd in 2007 genomineerd voor een Independent Spirit Award voor haar bijrol in de dramafilm A Guide to Recognizing Your Saints en in 2014 voor die in de dramafilm Fruitvale Station.
Diaz debuteerde in 2001 als filmactrice in de misdaadkomedie Double Whammy. Nadien voegde ze met name filmrollen toe aan haar curriculum vitae. Ze verschijnt daarbij zowel in komedies (zoals Assassination of a High School President en Be Kind Rewind) als in drama's (zoals Lords of Dogtown en American Son).