Мелик-шах родился в 1096 году, в семье могущественного султана Кылыч-Арслана I. Как старший из живых наследников к моменту кризиса, он с ранних лет оказался в водовороте большой политики. В 1107 году, когда мальчику было всего одиннадцать лет, когда его отец взял его с собой в амбициозный поход на Мосул. Жители города, напуганные слухами о жестокости эмира Джавали, сами призвали сельджуков. 22 марта 1107 года Кылыч-Арслан торжественно вошел в Мосул, взяв с собой Мелик-шаха, одну из жен, Айше-хатун, и младшего сына Тугрул-Арслана. Именно здесь Мелик-шах был официально объявлен меликом (правителем), а его наставником и воспитателем стал опытный эмир Бозмиш.
Однако триумф был недолгим. Против Кылыч-Арслана выступила мощная коалиция во главе с Джавали, поддержанная эмирами Мардина и Алеппо. Решающее сражение произошло 13 июля 1107 года на берегу реки Хабур. Из-за предательства анатолийских эмиров, испугавшихся численности врага, султан остался почти без армии и утонул в реке во время отступления. После этой катастрофы Джавали занял Мосул. Юный Мелик-шах был схвачен и отправлен в почетный, но суровый плен в Исфахан, к великому сельджукскому султану Мухаммеду Тапару. В то время как его брат Тугрул-Арслан при помощи матери воцарился в Мелитене, Мелик-шах провел в Персии несколько лет, оставаясь заложником большой игры.
В конце лета 1109 года (согласно Ибн аль-Каланиси) или чуть позже Мелик-шах сумел покинуть Исфахан. Существуют версии как о его дерзком побеге, так и о том, что Мухаммед Тапар сам отпустил его, осознав, что без законного наследника в Анатолии воцарился опасный вакуум власти, которым успешно пользовался византийский император Алексей Комнин.
Вернувшись в Анатолию в 1110 году, Мелик-шах первым делом решил обезопасить свой трон. Он не стал полагаться на родственные узы и заключил в темницу своих братьев — Месуда и Араба. Утвердившись в Конье, он направил свои амбиции против Византии. Султан отправил 24-тысячную армию под командованием полководца Хасана Кутлуга (которого Анна Комнина называла Асаном Катухом). Однако поход закончился провалом. Разгневанный Мелик-шах приказал казнить Хасана за «безрассудство», что стало роковой ошибкой: это решение посеяло семена недовольства среди военачальников, которые в будущем перейдут на сторону его брата Месуда.
После неудачной попытки покорить Киликийскую Армению в 1110 году, султан продолжил войну с Алексеем Комнином. Несмотря на ряд столкновений, он не смог добиться решающего перевеса и в 1112 году был вынужден заключить мир. Но затишье было временным. Уже в 1113 и 1114 годах его 50-тысячное войско опустошало приморские города: Никею, Бруссу и Пергам.
В 1116 году конфликт с Византией достиг апогея. Пока император Алексей находился на Балканах, Мелик-шах пытался вернуть утраченные территории. Византийцы перешли в контрнаступление, продвигаясь к Конье. Сельджуки использовали тактику выжженной земли, сжигая поля и лишая врага провианта. У города Акшехир император оказался в крайне тяжелом положении: его войска были изнурены, а сельджуки готовились к решающему удару. Победа Мелик-шаха казалась неизбежной.
Однако именно в этот момент султан внезапно предложил мир. Причиной были не военные неудачи, а страшное известие из тыла: его брат Месуд сбежал из тюрьмы и при поддержке Данышмендида Мелика Гази поднял восстание. Понимая, что империя ускользает из рук, Мелик-шах подписал мирный договор в лагере близ Афьонкарахисара. Он уступил Византии Дорилей, получив взамен золото и признание.
Алексей Комнин, проявив неожиданное благородство, предупредил султана о заговоре и предложил охрану, но Мелик-шах, ослепленный гордыней, отказался. «Таков уж надменный нрав варваров», — позже язвительно напишет об этом моменте Анна Комнина.
На пути к Конье предательство стало явным. Разведывательные отряды султана, встретив Месуда, сразу перешли на его сторону. В стычке под Акшехиром Гази, сын казненного Хасана Кутлуга, едва не убил султана ударом копья. Раненый Мелик-шах укрылся в Тирагионе, но жители города, подстрекаемые эмиром Пухеем, выдали его брату.
В 1116 году в Конье разыгралась финальная драма. Месуд приказал ослепить брата. Поскольку под рукой не оказалось нужных инструментов, палачи использовали массивный золотой подсвечник — подарок византийского императора. Ослепленного Мелик-шаха бросили в темницу. Некоторое время спустя он неосторожно признался своей кормилице, что его зрение частично восстановилось и он начал видеть свет. Узнав об этом, Месуд, опасаясь новой борьбы за власть, приказал убить брата.
В 1117 или 1118 году Мелик-шах был казнен согласно древнему степному обычаю, запрещавшему проливать кровь членов правящей династии: его задушили тетивой лука. Ему был всего 21 год. Мелик-шах правил шесть бурных лет и, по мнению современников, сочетал в себе юношескую самонадеянность с неопытностью, что в конечном итоге и привело к краху его амбициозных начинаний. Вероятно, он нашел свое последнее пристанище в гробнице при знаменитой мечети Алаэддина в Конье.
