Sunnyi Melles wurde 1958 in Luxemburg (Stadt) als Tochter eines aus der Heimat geflüchteten ungarischen Musikprofessors und einer ungarisch-jüdischen Schauspielerin geboren. Nach der Trennung ihrer Eltern wuchs sie bei ihrer Mutter in Basel auf, wo sie schon im Alter von 10 Jahren im Stadttheater spielte.

Bereits 1974 spielte sie eine kleine Rolle in der Hesse-Verfilmung "Steppenwolf" mit Max von Sydow. Nach dem Abitur absolvierte sie ihre Schauspielausbildung an der Otto-Falckenberg-Schule München. Noch während der Ausbildung wurde sie Ensemblemitglied der Münchner Kammerspiele und erlebte dort ihren künstlerischen Durchbruch mit mehreren Rollen, unter anderem als Gretchen in Dieter Dorns Inszenierung von Goethes "Faust" und als Emilia Galotti im gleichnamigen Drama Lessings. Später spielte die Theaterschauspielerin auch in Verfilmungen der beiden Stücke mit.

1984 arbeitete Melles mit Niklaus Schilling an seinem Film "Dormire", war Co-Autorin und spielte die Hauptrolle als unter Mordverdacht stehende Pianistin, die in der Enge eines Zugabteils von einer Journalistin entdeckt wird. Für diese Darstellung wurde sie von der Kritik hoch gelobt. Im selben Jahr wurde sie mit dem Deutschen Darstellerpreis des Bundesverbandes deutscher Film- und Fernsehregisseure e.V. als beste Nachwuchsschauspielerin ausgezeichnet. Weiterhin erhielt sie den Preis der Münchener Theaterzeitung als Künstlerin des Jahres.

In Doris Dörries "Paradies" (1986) spielte sie die Frau eines Professors in einer unglücklichen Ehe, die versucht, das Liebesleben mit Hilfe einer Freundin wiederzubeleben. Eine erneute Zusammenarbeit mit der Regisseurin folgte 1988 mit "Geld". Eine Hauptrolle hatte sie im Fernsehfilm "Mit den Clowns kamen die Tränen" (1990) unter der Regie von Reinhard Hauff.

Von 1990 bis 1993 spielte Sunnyi Melles die Buhlschaft in von Hofmannsthals "Jedermann" bei den Salzburger Festspielen. 1993 heiratete sie Peter Prinz zu Sayn-Wittgenstein-Sayn und trägt seitdem den Titel der Prinzessin zu Sayn-Wittgenstein-Sayn. Aus der Ehe gingen zwei Kinder hervor. In den 1990er- und 2000er-Jahren spielte sie in diversen Kinofilmen wie Rainer Kaufmanns "Long Hello and Short Goodbye" (1999) oder Uli Edels "Der Baader-Meinhof-Komplex" (2008). Weiterhin wirkte sie in verschiedenen Fernsehproduktionen mit, etwa in der Rolle der Damroka in der Günter-Grass-Verfilmung "Die Rättin" (1997) oder als Mutter eines liebesgeplagten Mädchens in "Wellen" (2005).

Im Jahr 2003 folgte Melles ihrem Stammregisseur Dieter Dorn an das Bayerische Staatsschauspiel in München, wo sie unter anderem in Shakespeares "Maß für Maß" und Tschechows "Onkel Wanja" (Regie: Barbara Frey) auf der Bühne stand. Ein Jahr später erhielt sie den Bayerischen Verdienstorden und wurde von der Zeitschrift Theater Heute zur Schauspielerin des Jahres gekürt.

2005 lieh sie Sophie in der deutschen Fassung von Hayao Miyazakis Anime "Das wandelnde Schloss" ihre Stimme, spielte in der schweizerisch-österreichischen Produktion "Snow White" und wurde mit dem Nestroy-Theaterpreis in der Kategorie Beste Schauspielerin für ihre Rolle der Valerie in "Geschichten aus dem Wiener Wald" ausgezeichnet.

Melles trat in den 2000er Jahren außerdem häufiger in TV-Serien auf, unter anderem in der "Pfarrer Braun"-Episode "Drei Särge und ein Baby", im "Tatort: Exitus" (2008) als Leiterin einer Klinik, sowie 2009 im Mehrteiler "Krupp – eine deutsche Familie" und im Hallenser "Polizeiruf 110: Der Tod und das Mädchen". Gleich zwei Mal spielte sie in "SOKO 5113" (2007 und 2010). 2011 spielte sie zudem im Fernsehfilm "Die Verführerin Adele Spitzeder" die Mutter der titelgebenden Bankengründerin.

Im Kino war Sunnyi Melles in den vergangenen Jahren in zahlreichen Nebenrollen prominenter Filme zu sehen, beispielsweise in Christoph Schaubs "Giulias Verschwinden" (2009), für das sie für den Schweizer Filmpreis nominiert wurde. Für Detlev Buck stand sie in "RubbeldieKatz" (2011) und "Die Vermessung der Welt" (2012) vor der Kamera. In "Die Erfindung der Liebe" (2013) ist sie als todkranke Millionärin auf der großen Leindwand zu sehen, die sich in einen jungen Hochstapler verliebt.

In den nächsten Jahren sah man Melles in einigen TV-Produktionen, so etwa im Ensemble der europäischen Krimiserie "The Team" (2015) und als Milliardärs-Gattin in der österreichischen Dramedy-Serie "Altes Geld" (2015) – dieser Part brachte ihr eine Romy-Nominierung als Beliebtester weiblicher Serienstar ein.

Eine Kino-Nebenrolle hatte Melles als altmodische Verlagschefin in der Tragikomödie "Einmal bitte alles" (2017). Im Jahr darauf gehörte sie als skurrile Adelige zum Ensemble des märchenhaften Roadmovies "Grüner wird's nicht". In dem humorvollen Beziehungsreigen "Safari – Match me if you can" (2018) gab sie eine hingebungsvolle Psychotherapeutin, in der Gesellschaftssatire "Der große Rudolph" (2018, TV) verkörperte sie eine Geschäftspartnerin des Modeschöpfers Rudolph Moshammer.

Daneben blieb (und bleibt) Sunnyi Melles auch weiterhin als Bühnenschauspielerin aktiv. In den konzertanten Aufführungen von "Peer Gynt" gastierte sie 2016/17 an der Oper Graz; in der Saison 2017/18 wirkte sie dort als Erzählerin des Familienkonzerts "Paddington Bär" mit. Nach Werner Krauß, Gustaf Gründgens und Martin Benrath ist Melles aktuell die Trägerin der 'Satyr-Knöpfe' von Goethes Rock, eine Ehrung für die, so Goethes Idee, "bedeutendsten Schauspieler ihrer Zeit".

Es folgten weitere Auftritte im Fernsehen und auch auf der großen Leinwand, dort u.a. als Gräfin an der Seite von Jannis Niewöhner in der Hermann-Hesse-Verfilmung "Narziss und Goldmund" (2020), als Rosel Zech in "Enfant terrible", einer episodischen Verfilmung von Rainer Werner Fassbinders Leben oder im Gewinnerfilm der Internationalen Filmfestspiele von Cannes 2022, "Triangle of Sadness", in einer viel beachteten Rolle als Oligarchengattin an der Seite von Woody Harrelson.

Viel Kritikerlob und den Deutschen Fernsehpreis erhielt sie für ihre Hauptrolle als weibliches Oberhaupt einer Frankfurter jüdischen Familie in der Miniserie "Die Zweiflers" (2024). Von ihrer humorvollen Seite zeigte sie sich auch als mürrische Hausmeisterin in dem Kinderfilm "Die drei ??? und der Karpatenhund" (2024). 2025 stand Melles für Dani Levys "Kochschule Schwarz" (Start: 2026) vor der Kamera: Die auf einer wahren Geschichte basierende, in Nazi-Deutschland spielende Tragikomödie zeigte sie als Gattin eines NS-Gauleiters, die in einer jüdischen Kochschule kulinarische Ambitionen entwickelt.