Se desconoce su año de nacimiento, pero fue elegido en el 310 o 311, y murió el 10 u 11 de enero del 314. Después del destierro del papa san Eusebio, la sede romana permaneció vacante por cierto tiempo, probablemente por las complicaciones del problema de los apóstatas, que había motivado el destierro de Eusebio (ver el artículo sobre él), y que no había quedado aclarado con el alejamiento del papa y de Heraclio, el instigador de la revuelta. El 2 de julio del 310 o 311, Melquíades, nativo de África, fue elevado al papado. Se desconoce el año exacto ya que el Catálogo Liberiano dice 2 de julio del 311 («ex die VI non. iul. a cons. Maximiliano VIII solo, quod fuit mense septembri Volusiano et Rufino»), pero en contradicción con este dato, se dice que su muerte ocurrió el 2 de enero del 314, luego de un pontificado que duró «tres años, seis meses y ocho días», lo que llevaría al 310. Lo más probable es que se trate de un error de copista, y que haya querido decir que el pontificado duró II años, no III, por lo que la fecha correcta sería el 311.
En este tiempo (el 310 o el 311) se promulgó un edicto de tolerancia firmado por los emperadores Galerio, Licinio y Constantino, poniendo fin a la gran persecución, y permitiendo que se reconstruyera la vida religiosa cristiana. Solamente en los pueblos del Oriente que estaban bajo el mando de Máximo Daia el cristianismo constinuó siendo perseguido. El emperador dio al papa Melquíades el derecho de recibir nuevamente, a través del prefecto de la ciudad, todos los edificios eclesiásticos y posesiones que habían sido confiscadas durante la persecución. Los dos diáconos romanos, Estratón y Casiano, fueron comisionados por el papa para discutir esta cuestión con el prefecto y recibir las propiedades eclesiásticas, lo que hizo posible reorganizar a fondo la administración eclesiástica y la vida religiosa de los cristianos en Roma.
Melquíades hizo traer de Sicilia a Roma los restos de su predecesor, Eusebio, y los hizo enterrar en una cripta del cementerio de Calixto. Al año siguiente el papa fue testigo del triunfo de la Cruz, con la vistoria sobre Majencio (victoria de Puente Milvio, 27 de octubre del 312), y la entrada en Roma del emperador Constantino, vuelto cristiano. Más tarde el emperador regaló a la Iglesia romana el palacio de Letrán, que vino a ser residencia de los papas, y por consecuencia, la sede de las sedes de la administración de la Iglesia romana. la basílica que estaba adjunta al palacio, o que fue construida después, vino a ser la iglesia principal de Roma.
En el 313 los donatistas (movimiento rigorista surgido en África encabezado por el obispo Donato) apelaron a Constantino para que nombrara obispos de la Galia como jueces para dirimir la controversia en el episcopado africano en relación a la consagración en Cartago de dos obispos, Ceciliano (rechazado por los donatistas) y su oponente, Majorino. Ceciliano había cedido a la presión de las torturas en la persecución, y luego se arrepintió y volvió a la comunión de la Iglesia; pero los donatistas consideraban que quien se había hecho indigno por la caída, no podía celebrar los sagrados misterios, y mucho menos ser consagrado obispo. Constantino escribió acerca de esto a Melquíades y a Marcos, pidiendo al papa que reuniera en Roma tres obispos de la Galia para escuchar a Ceciliano y a su oponente, y decidir el caso. El 2 de octubre del 313, reunido en el palacio lateranense, bajo la presidencia de Melquíades, un sínodo de dieciocho obispos de Galia e Italia, luego de una deliberación de tres días sobre los argumentos donatistas, decidieron a favor de Ceciliano, cuya elección y consagración como obispo de Cartago fue declarada legítima.
El «Liber Pontificalis» -libro con biografías de los papas editado hacia el siglo VII, que contiene muchas inexactitudes históricas, aunque es a menudo la única fuente disponible- señala que en época de Melquíades había algunos maniqueos en Roma; efectivamente es posible que los maniqueos hayan comenzado a desplazarse hacia Occidente en el siglo IV. También atribuye a Melquíades dos decretos: uno en el que prohibe absolutamente el ayuno los días jueves y domingos, «quia eos dies pagani quasi sacrum ieiunium celebrabant» («porque en esos días los paganos celebraban un ayuno sagrado»); la razón probablemente no proviene de la época de Melquíades, sino de la más tardía del autor del «Liber Pontificalis» (en la que ya se había perdido memoria de las costumbres paganas en Roma). El mismo libro no es menos arbitrario en atribuir a Melquíades un decreto según el cual la Oblación consagrada en las misas solemnes del papa (es decir, el pan eucarístico) debía repartirse a las diversas iglesias de Roma. Esta costumbre es propia de la Iglesia romana, pero no hay nada en firme que permita remontarla hasta Melquíades, como afirma el «Liber Pontificalis».
Después de su muerte, ocurrida el 10 u 11 de enero (el «Catálogo Liberiano» dice «III id. jan.», mientras que la «Depositio Episcoporum» trae «IIII id. jan.») del 314, Melquíades fue enterrado en la catacumba de san Calixto, y fue venerado como santo. El «Martyrologium Hieronymianum» lo inscribe el 10 de enero, y así lo vuelve a inscribir el nuevo Martirologio Romano, luego de que el antiguo lo recordara el 10 de diciembre.
