Na juventude trabalha como desenhista e mágico, mas se interessa pelo cinema depois de assistir à primeira apresentação dos irmãos Lumière, em 1895. Começa como ator, vira produtor, fotógrafo, figurinista e diretor. Cria técnicas de trucagem e efeitos especiais, empregando fusão de imagens, exposição múltipla de negativos, maquetes e truques ópticos.
Consegue pôr na tela fantasmas transparentes, multiplica cabeças e as lança ao ar como bolinhas, transforma um ator em centenas. Com isso, opõe-se ao estilo documentário e produz filmes de ficção científica utilizando técnicas que inventa.
Entre suas melhores fitas estão Viagem à Lua, baseada na história do escritor francês Júlio Verne, e As Viagens de Gulliver, adaptada do romance do irlandês Jonathan Swift, ambas de 1902.
Nessa época, sua empresa Star Films, em Paris, é considerada o centro mundial do cinema, com mais de 500 filmes produzidos. Depois de 1908, a empresa passa por dificuldades por causa da concorrência com as produtoras Pathé, Gaumont e Éclair. Em seis anos, Méliès fica arruinado e tem de vender doces para sobreviver. Morre em Paris.