멜버른대학교는 1853년 휴 차일더스의 제안으로, 종합대학설치령에 따라 빅토리아 주의회가 설립했다. 초대 총장에는 레드먼드 베리가, 부총장으로는 휴 차일더스가 취임했다. 오스트레일리아 연방과 빅토리아 주 정부가 재정을 지원한다. 처음에는 교양과정만 개설했다가 1857년에 법학부, 1861년에는 공학부, 1862년에 의학부가 설치되었다. 1864년 자연사박물관을 건립했다. 1872년 최초의 단과대학인 트리니티대학(트리니티칼리지)가 설립되었고, 이어서 1879년 오몬드대학, 1888년 퀸스대학, 1918년 뉴먼대학이 설립되었다. 1880년 최초로 13명의 여학생이 문리대에 입학했으며, 1887년부터는 의과대학에도 여학생의 입학이 허용되었다. 지금은 음악대학이 된 음악학교가 1895년에 문을 열었다. 1904~24년 치의학부·농학부·수의학부·의학부·교육학부·건축학부·무역학부가 개설되었다. 제2차 세계대전 이후 급격히 성장하였고, 1960년대에 핵과학 및 공학 연구위원회와 응용경제연구소가 설립되었다.

멜버른대학교는 2015년 영국의 대학평가기관 QS(Quacquarelli Symonds)가 발표한 세계 대학 순위에서 42위, 영국 일간지 <타임스 The Times>가 실시하는 THE(Times Higer Education) 세계 대학 순위에서 33위, 중국 상하이 자오퉁대학이 발표하는 ARWU(Academic Ranking of World Universities) 세계 대학 학술 순위에서 44위로 선정되었다.

2016년 현재 농학부·예술학부·생체의학부·상학부·환경학부·미술학부·음악학부·구강보건합부·자연과학부 등의 12개 학부 과정이 있고, 경영대학원·치의학대학원·디자인대학원·교육대학원·법학대학원·의학대학원·정보대학원·인문사회과학대학원 등 19개 대학원 과정이 개설되어 있다. 부속 기관으로 도서관, 자연사박물관, 출판부 등이 있으며, 100개 이상의 부설 연구소가 있다.

멜버른대학교 출신 동문으로는 제27대 오스트레일리아 총리 줄리아 질러드, 배우 니콜 키드먼, 위키리스크 설립자 줄리언 어산지 등이 있다.