Семья отца Меллентина, по его воспоминаниям, происходит из Померании, где в 1225 году был основан род Меллентинов. Сам отец Фридриха, Пауль-Хеннинг фон Меллентин, подполковник артиллерии, был убит на Западном фронте Первой мировой войны 29 июня 1918 года. Фридрих был третьим сыном в семье.
Родители его матери Орлинды, урожденной фон Вальденбург, происходят из Силезии и Бранденбурга; ее прадед, принц Август Прусский, был племянником Фридриха Великого. На плечи матери семейства после смерти отца взлегло всё бремя воспитания детей и поддержания семьи; она скончалась в августе 1950 года, за несколько недель до отъезда Фридриха Меллентина в Южную Африку.
В Бреслау Меллентин учился в реальном училище; по окончании, 1 апреля 1924 года поступил на службу в 7-й кавалерийский полк. Как сообщает он сам в своих мемуарах,
1 февраля 1928 года был произведен в лейтенанты.
Фридрих фон Меллентин находился на восточном фронте с ноября 1942 года по май 1944-го, проведя большую часть времени в должности начальника штаба 48-го танкового корпуса. Вместе со своим корпусом участвовал в Сталинградской битве в рамках операции по деблокированию 6-й армии Паулюса «Зимняя гроза». Лично поддерживал радиоконтакт с фельдмаршалом Паулюсом. Участвовал в битве на Курской дуге.
Отходя вместе с Группой армий «Юг» участвовал в оборонительных боях на территории Западной Украины. Его корпус был активно задействован в обороне Харькова, Житомира, Киева, Тернополя. В ходе развернувшейся Львовско- Сандомирской операции фон Меллентин разработал план прорыва окружённой Бродненской группировки вермахта, который в череде яростных боёв всё-таки не был осуществлён в виду явного преимущества войск Советской армии.
После Сталинграда,Фридрих фон Меллентин однажды сказал о войне против Советского Союза следующую фразу: «Там мы находились в положении человека, который схватил волка за уши и пытается не дать ему вырваться.»