Melissa Gilbert wurde am 8. Mai 1964 in Los Angeles, Kalifornien, geboren und einen Tag nach ihrer Geburt von dem Schauspieler-Ehepaar Paul Gilbert und Barbara Crane adoptiert. Bereits in den späten 1960er-Jahren begann sie ihre Karriere als Kinderschauspielerin, zunächst in Werbespots und Gastrollen in Fernsehserien. Ihr großer Durchbruch gelang ihr im Alter von neun Jahren, als sie die Rolle der Laura Ingalls in der NBC-Serie Little House on the Prairie (19741983) erhielt. Mit ihrer Darstellung der klugen und abenteuerlustigen Laura wurde Gilbert zu einem der bekanntesten Kinderstars der Fernsehgeschichte
Während der Laufzeit der Serie war Gilbert auch in mehreren TV-Filmen zu sehen, darunter „The Miracle Worker“ (1979), in dem sie Helen Keller spielte, und „The Diary of Anne Frank“ (1980). Nach dem Ende von Little House on the Prairie setzte Gilbert ihre Karriere hauptsächlich in Fernsehfilmen fort und übernahm Rollen in Produktionen wie „Choices of the Heart“ (1983) und Babylon 5 (1996)
Von 2001 bis 2005 war Melissa Gilbert Präsidentin der Screen Actors Guild (SAG), der Gewerkschaft für Filmschauspieler in den USA. Während ihrer Amtszeit leitete sie Verhandlungen über neue Tarifverträge und setzte sich für bessere Arbeitsbedingungen sowie eine angemessene Vergütung von Schauspielerinnen und Schauspielern ein. Ihre Arbeit in dieser Position war geprägt von wichtigen Reformen und der Anpassung der Gewerkschaft an die Herausforderungen durch technologische Entwicklungen in der Unterhaltungsbranche
Neben ihrer Tätigkeit bei der SAG blieb Gilbert weiterhin als Schauspielerin aktiv. Sie spielte in verschiedenen Fernsehfilmen und Theaterproduktionen, darunter die Rolle der Caroline „Ma Ingalls in der Musical-Adaption von „Little House on the Prairie“ (20092010). 2012 nahm sie an der Reality-Show „Dancing with the Stars“ teil und belegte den fünften Platz
Melissa Gilbert war mit Schauspieler Rob Lowe verlobt und dreimal verheiratet. Ihre erste Ehe mit Bo Brinkman dauerte von 1988 bis 1994, aus der ihr Sohn Dakota stammt. Mit ihrem zweiten Ehemann, Bruce Boxleitner, war sie von 1995 bis 2011 verheiratet; aus dieser Beziehung ging ihr Sohn Michael hervor, den sie nach ihrem Serienvater Michael Landon benannte. Seit 2013 ist sie mit dem Schauspieler Timothy Busfield verheiratet
Gilbert hatte im Laufe ihres Lebens mit Suchtproblemen zu kämpfen. Sie litt unter Alkohol- und Medikamentenabhängigkeit, konnte diese Schwierigkeiten jedoch überwinden. Gesundheitliche Probleme begleiteten sie ebenfalls, darunter eine Wirbelsäulenoperation im Jahr 2010 und die Entfernung ihrer Brustimplantate aus gesundheitlichen Gründen im Jahr 2015.