Carriera Specialista del doppio, vanta 42 titoli nel circuito maggiore, tra cui il Roland Garros 2015 e Wimbledon 2017, ha raggiunto la prima posizione nella classifica mondiale nel novembre 2015.
2007–2010: primi successi Nel doppio maschile gioca per un lungo periodo insieme ad André Sá, con il quale vince il primo titolo ATP nell'aprile 2007 all'Estoril Open. Quello stesso anno raggiungono la semifinale a Wimbledon e vengono sconfitti da Arnaud Clément e Michaël Llodra, futuri vincitori del torneo. Ai successivi US Open arrivano ai quarti di finale ma si arrendono a Paul Hanley e Kevin Ullyett. Si spinge fino ai quarti di finale anche al Roland Garros 2010, questa volta insieme a Bruno Soares, vincono il primo set e cedono i due successivi a Julian Knowle ed Andy Ram.
2012–2016: finale a Wimbledon, titolo al Roland Garros Ottiene risultati migliori poi con Ivan Dodig, assieme al quale gioca il primo torneo nel 2012 e subito raggiungono la finale al Memphis Open. Continua a giocare anche con altri partner ma con Dodig nel 2013 raggiunge la prima finale in una prova del Grande Slam a Wimbledon – persa in 4 set contro Bob e Mike Bryan – e vince il primo torneo Masters 1000 a Shanghai. Nel 2015 raggiungono le semifinali agli Australian Open e vincono il Roland Garros, primo titolo di Melo in un torneo del Grande Slam. In virtù di questi risultati conquista la prima posizione mondiale. Prosegue ad alti livelli e nel 2015 vince due titoli con Raven Klaasen e uno con Łukasz Kubot. Gioca comunque soprattutto con Dodig fino alla fine del 2016 e vincono altri 3 titoli Masters 1000.
2017–2021: sodalizio con Kubot, vittoria a Wimbledon e finale agli US Open All'inizio del 2017 inizia a giocare in pianta stabile con Łukasz Kubot con cui nell'arco della stagione vince 6 tornei sui quali spicca il trionfo a Wimbledon, dopo una lunga e combattutissima finale contro Oliver Marach e Mate Pavić, sconfitti per 13–11 al quinto set; e la coppia diventa numero 1 a fine anno. Con il polacco raggiunge anche la finale agli US Open 2018 e il sodalizio dura fino alle ATP Finals 2020. Nel febbraio 2021 esce dalla top 10 e torna a fare coppia con Kubot a Dubai e dal Roland Garros agli US Open 2021. Chiude il 2021 senza raggiungere nessuna finale ATP, non conquistando nessun titolo per la prima volta dal 2006.
2022-2025: nuovi compagni e altri titoli ATP Dall'ottobre 2021 torna a giocare con Ivan Dodig, ma non vanno oltre a una finale in un ATP 250 nel gennaio successivo e si separano di nuovo nell'aprile 2022, quando Melo scende alla 48ª posizione mondiale, la peggiore dal giugno 2007. Nel prosieguo della stagione 2022 cambia diversi compagni e recupera alcune posizioni in classifica raggiungendo 4 finali, perde le prime tre e torna al successo in ottobre vincendo con Mackenzie McDonald il torneo di Tokyo, alla sua 70ª finale ATP. Vince il suo 37º titolo ATP nel giugno 2023 ad Halle assieme a John Peers.
Nel 2024 torna in finale in un torneo Masters 1000 dopo cinque anni, raggiungendo l'ultimo atto a Monte Carlo con Alexander Zverev, e successivamente vince a Stoccarda con il connazionale Rafael Matos, con cui arriva anche in finale a Washington. Anche nel 2025 gioca con Matos e vincono l'ATP 500 del Rio Open e il 250 del Winston-Salem Open, mentre perdono in finale all'Argentina Open.
Doppio misto Ha ottenuto buoni risultati anche nel doppio misto, insieme a Vania King raggiunge la finale all'Open di Francia 2009 diventando così il settimo tennista brasiliano a disputare la finale in un torneo del Grande Slam; vengono sconfitti da Liezel Huber / Bob Bryan per 10-7 nel set decisivo dopo aver vinto il primo. Con Flavia Pennetta raggiunge la semifinale agli Australian Open 2010 e vengono sconfitti 6-0, 4-6, 10-8 da Ekaterina Makarova e Jaroslav Levinský.
Statistiche Doppio Vittorie (42) Legenda Grande Slam (2) ATP Finals (0) ATP Masters Series / ATP Master 1000 (9) ATP International Series Gold / ATP Tour 500 (14) ATP International Series / ATP Tour 250 (17)Titoli per superficie Cemento (25) Terra rossa (11) Erba (6) Sintetico (0)
N.DataTorneoSuperficieCompagnoAvversari in finalePunteggio 1. 29 aprile 2007 Estoril Open, Estoril Terra rossa André Sá Martín García Sebastián Prieto 3–6, 6–2, [10–6] 2. 6 gennaio 2008 South Australian Open, Adelaide Cemento Martín García Chris Guccione Robert Smeets 6–3, 3–6, [10–7] 3. 11 febbraio 2008 Brasil Open, Costa do Sauípe Terra rossa André Sá Albert Montañés Santiago Ventura 4–6, 6–2, [10–7] 4. 18 maggio 2008 ATP Pörtschach, Pörtschach Terra rossa André Sá Julian Knowle Jürgen Melzer 7–5, 6(3)–7, [13–11] 5. 17 agosto 2008 ATP New Haven, New Haven Cemento André Sá Mahesh Bhupathi Mark Knowles 7–5, 6–2 6. 25 maggio 2009 Austrian Open Kitzbühel, Kitzbühel Terra rossa André Sá Andrei Pavel Horia Tecău 6(9)–7, 6–2, [10–7] 7. 22 maggio 2010 Open de Nice Côte d'Azur, Nizza Terra rossa Bruno Soares Rohan Bopanna Aisam-ul-Haq Qureshi 1–6, 6–3, [10–5] 8. 5 febbraio 2011 Chile Open, Santiago del Cile Terra rossa Bruno Soares Łukasz Kubot Oliver Marach 6–3, 7–6(3) 9. 12 febbraio 2011 Brasil Open, Costa do Sauípe (2) Terra rossa Bruno Soares Pablo Andújar Daniel Gimeno Traver 7–6(4), 6–3 10. 21 ottobre 2012 Stockholm Open, Stoccolma Cemento Bruno Soares Robert Lindstedt Nenad Zimonjić 6(4)–7, 7–5, [10–6] 11. 6 gennaio 2013 Brisbane International, Brisbane Cemento Tommy Robredo Eric Butorac Paul Hanley 4–6, 6–1, [10–5] 12. 13 ottobre 2013 Shanghai Masters, Shanghai Cemento Ivan Dodig David Marrero Fernando Verdasco 7–6(2), 6(6)–7, [10–2] 13. 11 gennaio 2014 Auckland Open, Auckland Cemento Julian Knowle Alexander Peya Bruno Soares 4–6, 6–3, [10–5] 14. 1º marzo 2015 Open del Messico, Acapulco Cemento Ivan Dodig Mariusz Fyrstenberg Santiago González 7–6(2), 5–7, [10–3] 15. 6 giugno 2015 Open di Francia, Parigi Terra rossa Ivan Dodig Bob Bryan Mike Bryan 6(5)–7, 7–6(5), 7–5 16. 11 ottobre 2015 Japan Open Tennis Championships, Tokyo Cemento Raven Klaasen Juan Sebastián Cabal Robert Farah 7–6(5), 3–6, [10–7] 17. 18 ottobre 2015 Shanghai Masters, Shanghai (2) Cemento Raven Klaasen Fabio Fognini Simone Bolelli 6–3, 6–3 18. 25 ottobre 2015 Vienna Open, Vienna Cemento (i) Łukasz Kubot Jamie Murray John Peers 4–6, 7–6(3), 3–6, [10–6] 19. 11 novembre 2015 Paris Masters, Parigi Cemento (i) Ivan Dodig Vasek Pospisil Jack Sock 2–6, 6–3, [10–5] 20. 31 luglio 2016 Canadian Open, Montréal Cemento Ivan Dodig Jamie Murray Bruno Soares 6–4, 6–4 21. 21 agosto 2016 Cincinnati Open, Cincinnati Cemento Ivan Dodig Jean-Julien Rojer Horia Tecău 7–6(5), 6(5)–7, [10–6] 22. 30 ottobre 2016 Vienna Open, Vienna (2) Cemento (i) Łukasz Kubot Oliver Marach Fabrice Martin 4–6, 6–3, [13–11] 23. 1º aprile 2017 Miami Open, Miami Cemento Łukasz Kubot Nicholas Monroe Jack Sock 7–5, 6–3 24. 14 maggio 2017 Madrid Open, Madrid Terra rossa Łukasz Kubot Nicolas Mahut Édouard Roger-Vasselin 7–5, 6–3 25. 18 giugno 2017 Rosmalen Open, 's-Hertogenbosch Erba Łukasz Kubot Raven Klaasen Rajeev Ram 6–3, 6–4 26. 25 giugno 2017 Halle Open, Halle Erba Łukasz Kubot Alexander Zverev Miša Zverev 5–7, 6–3, [10–8] 27. 15 luglio 2017 Torneo di Wimbledon, Londra Erba Łukasz Kubot Oliver Marach Mate Pavić 5–7, 7–5, 7–6(2), 3–6, 13–11 28. 5 novembre 2017 Paris Masters, Parigi (2) Cemento (i) Łukasz Kubot Ivan Dodig Marcel Granollers 7–6(3), 3–6, [10–6] 29. 12 gennaio 2018 Sydney International, Sydney Cemento Łukasz Kubot Viktor Troicki Jan-Lennard Struff 6–3, 6–4 30. 24 giugno 2018 Halle Open, Halle (2) Erba Łukasz Kubot Alexander Zverev Miša Zverev 7–6(1), 6–4 31. 7 ottobre 2018 China Open, Pechino Cemento Łukasz Kubot Oliver Marach Mate Pavić 6–1, 6–4 32. 14 ottobre 2018 Shanghai Masters, Shanghai (3) Cemento Łukasz Kubot Jamie Murray Bruno Soares 6–4, 6–2 33. 23 agosto 2019 Winston-Salem Open, Winston-Salem (2) Cemento Łukasz Kubot Nicholas Monroe Tennys Sandgren 6(6)–7, 6–1, [10–3] 34. 29 febbraio 2020 Open del Messico, Acapulco (2) Cemento Łukasz Kubot Juan Sebastián Cabal Robert Farah 7–6(6), 6(4)–7, [11–9] 35. 1º novembre 2020 Vienna Open, Vienna (3) Cemento (i) Łukasz Kubot Jamie Murray Neal Skupski 7–6(5), 7–5 36. 9 ottobre 2022 Japan Open Tennis Championships, Tokyo (2) Cemento Mackenzie McDonald Rafael Matos David Vega Hernandez 6–4, 3–6, [10–4] 37. 25 giugno 2023 Halle Open, Halle (3) Erba John Peers Simone Bolelli Andrea Vavassori 7–6(3), 3–6, [10–6] 38. 16 giugno 2024 Stuttgart Open, Stoccarda Erba Rafael Matos Julian Cash Robert Galloway 3–6, 6–3, [10–8] 39. 22 febbraio 2025 Rio Open, Rio de Janeiro Terra rossa Rafael Matos Pedro Martínez Jaume Munar 6–2, 7–5 40. 24 agosto 2025 Winston-Salem Open, Winston-Salem (3) Cemento Rafael Matos Francisco Cabral Lucas Miedler 4–6, 6–4, [10–8] 41. 22 febbraio 2026 Rio Open, Rio de Janeiro (2) Terra rossa João Fonseca Constantin Frantzen Robin Haase 4–6, 6–3, [10–8] 42. 1 marzo 2026 Open del Messico, Acapulco (3) Cemento Alexander Zverev Alexander Erler Robert Galloway 6–3, 6–4
Finali perse (38) Legenda Grande Slam (2) ATP Finals (2) ATP Masters Series / ATP Master 1000 (7) ATP International Series Gold / ATP Tour 500 (12) ATP International Series / ATP Tour 250 (15)