Melvil Poupaud doit faire ses preuves. Et il lui faut 5 ans pour parvenir à la fluidité d'Un simple appareil, son 1er album sous son nom, où il joue de nombreux instruments, écrit et compose, explore et délimite son territoire, tout en en confiant la production à Yarol. Il propose dans ce 1er album un répertoire varié entre folk, rock, bossa, pop et électro... Un disque à l'image de sa chanson Sorti de l'auberge : sorti des voies où on l'attendait, en affirmant ses différences à paraître branché. Il joue plutôt unplugged, débranché, comme la recherche d'une mise à nu sans ostentation ni exhibition : comme dans son plus simple appareil...
Parallèlement, il mène sa carrière au cinéma qui le voit débuter à 10 ans dans La ville des pirates. Grâce à sa mère, attachée de presse, il rencontre le réalisateur
Raoul Ruiz qui lui donne un rôle dans ce
film d'aventure en 1983. Suivent 2 autres collaborations : L'Eveillé du pont de l'Alma et L' Ile au trésor. En 1989, il tourne
La Fille de quinze ans de
Jacques Doillon et est nommé au César du Meilleur espoir masculin.
Il apparaît ensuite dans L' Amant de Jean-Jacques Annaud, puis est révélé dans Les Gens normaux n'ont rien d'exceptionnel de Laurence Ferreira Barbosa et qui lui permet d'obtenir une 2
ème nomination pour le César du meilleur espoir masculin. En 1995, on le retrouve en jeune homme ténébreux dans Le Plus Bel Age de Didier Haudepin. Il joue dans Le Journal du séducteur de Danièle Dubroux et dans Conte d'été d'Eric Rohmer. En 1995, il retrouve son réalisateur fétiche
Raoul Ruiz pour Trois vies et une seule mort puis Genealogies d'un crime aux côtés de
Catherine Deneuve (1996) et Le Temps retrouvé (1998) avec John Malkovich.
Il travaille ensuite avec les jeunes cinéastes comme Graham Guit pour Le Ciel est à nous, Les Kidnappeurs ou Marion Vernoux pour son
film Reines d'un jour. En 2003, il est à l'affiche du Divorce de James Ivory et des Sentiments de Noémie Lvovsky. En 2005, il tourne
Temps qui reste, drame de François Ozon où il incarne un jeune homme qui n'a plus que quelques mois à vivre.
On le voit ensuite dans L'Heure zéro, adapté d'un roman policier d'Agatha Cristie. Puis, il tourne dans le
film américain
Broken english et les français
Un homme perdu et Un conte de Noël d'
Arnaud Desplechin, qui est en compétition officielle à
Cannes 2008.
Melvil Poupaud a également réalisé un film, Melvil, où il se met lui-même en scène.