Окончил Николаевское кавалерийское училище (1862).
Корнетом лейб-гвардии гусарского полка принял участие в усмирении польского восстания 1863 года. В 1869 году Меллер-Закомельский перешел в чине майора в армейскую пехоту и отправился в Туркестан. В 1871 году получил в командование 2-й Туркестанский линейный батальон, с которым и участвовал в Хивинском походе 1873 года и в покорении Ферганы. Во время русско-турецкой войны Меллер-Закомельский командовал 6-м пехотным Либавским полком, с которым отличился в Забалканском походе отряда генерала Скобелева. В 1883 произведен в генерал-майоры.
Командовал 2-й бригадой 17-й пехотной дивизии (10.05.1889—1890), 2-й бригадой 10-й пехотной дивизии (1890—1894), 47-й пехотной резервной бригадой (1894—1898), 10-й пехотной дивизией (1898—1901), 3-й гв. пехотной дивизией (1901—1904), VII армейским корпусом (1904—1906) и V армейским корпусом (1906—1909).
В ноябре 1905 руководил подавлением восстания в Севастополе. В декабре 1905 г. был послан со специальным отрядом для восстановления порядка на Сибирской и Забайкальской железных дорогах, которая к тому моменту находилась фактически в руках революционеров. В 1906—1909 годы, занимая должность временного генерал-губернатора Прибалтийского края (Курляндская, Лифляндская и Эстляндская губернии), принимал суровые меры в борьбе с революционным движением.
С 12 июля 1909 член Государственного Совета, в котором присоединился к правой группе. Уже как октябрист в августе 1915 г. входит в Прогрессивный блок и на короткий момент возглавляет Бюро Блока. В числе других членов Государственного Совета по назначению 1 мая 1917 выведен за штат, а в декабре 1917 декретом СНК уволен от службы с 25.10.1917.
В 1918 году эмигрировал во Францию.
Умер в Ницце в 1928 году. Похоронен на русском кладбище Кокад.