למד שנתיים בישיבת בני עקיבא כפר הרואה. למד תקופה קצרה בישיבת כנסת חזקיהו בשנות הקמתה בזכרון יעקב. בחשוון תשי"ד (1953) נמנה עם מייסדיה של ישיבת כרם ביבנה. לדבריו, במקומות אלו הייתה חסרה לו הרוח הלאומית שאותה ספג בבית אבא וסבא ואשר טופחה מאוד בכפר הרוא"ה, ואותה מצא בשנת תשי"ד (1954) בישיבת מרכז הרב ואצל העומד בראשה - הרב צבי יהודה הכהן קוק, פגישתו עם הרצי"ה בפורים של אותה שנה השפיעה עליו עמוקות והוא החליט לעבור לישיבתו, שם התקרב אליו מאוד. כן היה תלמיד מובהק של הרב אברהם שפירא. הוא למד בישיבת מרכז הרב כעשור. בשנת תשכ"ה (1965) מינה אותו הרצי"ה לתפקיד הר"מ של שיעור א' בישיבה, כר"מ הראשון שגדל במוסדות דתיים לאומיים ובישיבה.
בשנת ה'תשל"ח (1978) הטיל עליו הרצי"ה להקים ישיבה חדשה. תכנון ראשוני להקימה בעופרה לא צלח. ולבסוף ייסד ישיבה בבסיס הצבאי שליד בית אל. הוא ותלמידיו ביקשו ליצור יישוב בעל ציביון תורני מובהק, שבו הרב יהיה הפוסק, ולצורך כך הוקם היישוב בית אל ב', שבמרכזו הישיבה. מזכירות היישוב הייתה המזכירות של הישיבה. בבית אל א' התגוררו אקדמאים ובעלי מקצועות חופשיים שרצו לקיים קהילה תורנית פתוחה יותר. ברבות הימים היישובים התאחדו תחת מועצה מקומית אחת.
בתחילת שנות ה-מ' עודד ודחף להקמת תנועת הנוער "אריאל" כדי ליישם הפרדה מלאה בין בנים לבנות, מה שלא התאפשר בתנועת בני עקיבא.
משמש כחבר בוועדת השיפוט במיזם "קנה לך חבר" - תחרות החיבורים התורניים לבני הציונות הדתית של מפעל הפיס. מחברי ארגון 'איחוד רבני תורת הארץ הטובה'.
משפחתו.
הרב מלמד נשוי לשולמית, מחנכת ומנהלת ערוץ 7. לזוג שבעה ילדים, רובם פעילים בחינוך התורני.
בנו הרב אליעזר מלמד הוא רב היישוב הר ברכה וראש ישיבת הר ברכה. בנו הרב ישראל הוא ראש הישיבה התיכונית עותניאל. בנו הרב יהודה הוא ר"מ בישיבת רמת גן ומעביר שיעורי אמונה בישיבת אביו. חתנו הרב הלל הורוביץ הוא פעיל ציבור וראש מנהלת חברון.
גיסו הוא הרב איתן אייזמן, אח חורג של אשתו.
בת דודתו נשואה לרב מרדכי שטרנברג ראש ישיבת הר המור.
חותנו, פרופ' יוסף ולק, היה מחנך ופעיל שמאל. אחותו שולה נישאה לרב אברהם רמר.
דרכו.
הרב מלמד אוחז בדעה שיש לדחות את השירות הצבאי לתקופה מסוימת לטובת לימוד תורה, ושעל המוכשרים לכך ללמוד שנים רבות גם על חשבון אורך השירות הצבאי.
הרב מלמד הוא ממובילי הקו השמרני בציבור הדתי-לאומי. דרכו התבטאה למשל בעידודו, בתחילת שנות ה-80, את בנו הרב אליעזר להקים את תנועת הנוער "אריאל" כדי ליישם הפרדה מלאה בין בנים לבנות. הרב מלמד היה גם בין המובילים בהקמת מפלגת תקומה ותנועת קוממיות.
הרב מלמד מזוהה עם גישתו הרעיונית של הרב אברהם שפירא, בשונה מהגישה הממלכתית בנוסח הרב צבי ישראל טאו. גישה זו התבטאה למשל בקריאה מפורשת לסירוב פקודה אל מול תוכנית ההתנתקות. שבהקשר אליה אף כתב: "הפסק של הרב שפירא שליט"א הוא המחייב את כולנו" לדבריו, זו הדרכת רבו הרצי"ה. מאז תקופת הסכמי אוסלו פעל לצד הרב שפירא בראש המאבק על שלמותה של ארץ-ישראל ויישוביה. לצורך כך הקים את ועד רבני יש"ע.
בתחום החינוכי - תחת הנהגתו הוקמו בבית אל רשת מוסדות חינוך: ישיבה גבוהה, ישיבה קטנה-תיכונית "בני צבי" שבה, בהתאם לשיטתו, משולבים אמנם לימודי חול אך במינון נמוך יחסית לרוב הישיבות התיכוניות, אולפנא לבנות - "רעיה" ומכינה קדם-צבאית - "מגן דוד". הרב מלמד יזם את הקמתו של מכון ט"ל ("טכנולוגי לבנות"), המקביל ל"מכון לב" לבנים.
כמו רבו, הרב צבי יהודה קוק, הרב מלמד נמנע מלהשתמש בלוח הגרגוריאני, ומחנך את תלמידיו לשימוש בתאריך העברי גם על גבי המחאות. לדעתו שימוש רב בתאריך העברי יגרום לממסד ללמוד להשתמש בו.
הרב מלמד שולל יציאה לחוץ-לארץ. הוא עצמו מעולם לא יצא את גבולות הארץ, ובנושא זה הוא מחמיר עם השואלים אותו, למעט במקרים מיוחדים כמו צער גדול של הורים המתגוררים מחוץ לישראל או התרמה למען מטרה נעלה.
הפצה באמצעי התקשורת.
את ההסברה הדתית לציבור הרחב הוא מחשיב כענף חשוב מהפעילות החינוכית, ולכן במשך כעשרים שנים פעל ללא הרף לקידום תקשורת אלטרנטיבית שתהווה כלי ביטוי לעמדות הצבור הדתי, וזאת על אף שחלק מפעילותו נקלעה לא פעם לקשיים משפטיים.
בשנת ה'תשמ"ח (1988) הקים הרב מלמד את ערוץ הרדיו "ערוץ 7" והיה הסמכות הרוחנית והרוח החיה מאחורי הערוץ, כאשר אשתו שולמית ניהלה אותו בפועל. לאחר 15 שנות שידורים, כאשר התברר כי אוניית "ארץ הצבי" לא נשאה את המשדר העיקרי ששכן באזור השומרון, נסגר הערוץ בעקבות פסיקת בג"ץ, שביטל חוק מיוחד להסדרת שידורי הערוץ. האחראים לשידורי הערוץ הועמדו לדין, ועל הרב מלמד נגזרו ארבעה חודשי מאסר על-תנאי וקנס של 25,000 ש"ח. בחודש מאי 2006 קיצר הנשיא משה קצב את תקופת ההתיישנות על העבירה, ובכך אפשר לרב מלמד להתמודד במכרז להקמת תחנת רדיו אזורית ביהודה ושומרון.
לאחר סגירת הערוץ, הקים הרב מלמד את אתר ערוץ 7 המשדר שידורים חיים באינטרנט וכן את העיתון בשבע.
לעומת התומכים ב"ירידה אל העם" לצורך חינוך והסברה, סבור הרב מלמד כי שיעור תורני ברדיו זוכה להאזנה רבה יותר מכמות האנשים שאפשר להכניס לאולם גדול, ומכאן חשיבות השידור ברדיו.
בעידודו הוקם אתר ישיבה, שהרב מלמד מכנה אותו "הישיבה הגדולה בעולם".
הנהגותיו.
הרב מלמד מדריך את תלמידיו לעבודת ה' לפי הנהגות רציונליות, שנותנות מקום לאנושיות של האדם, ומתנגד להנהגות קיצוניות או מיסטיות שעלולות לערער את היציבות.
גישתו לחיים היא אופטימית, מתוך אמונה שהקב"ה עושה הכול לטובה.
לדבריו, הוא מנסה לדבוק בדרכי רבו הרצי"ה קוק, שהיה "קיצוני לכל הכיוונים" - באהבת התורה ולומדיה, בתיקון המידות, באהבת עם ישראל ובאהבת הארץ - ובכך שהקצין לכל הכיוונים הפך לענק של תורה ואין זו קיצוניות אלא גדלות.
בענייני חברה הוא תומך בהפרטה הכלכלית, מתוך הנחה שתיצור תחרות שתועיל לשגשוג ופיתוח. בתחום הכשרות הוא תומך בכך שהרבנות הראשית תדרג את כל המערכות כדי לעורר תחרות ולהעלות את רמת הכשרות בישראל, במקום שתעסוק במתן הכשרים בעצמה שממילא אינם מקובלים על המחמירים בכשרות.
הרב מלמד רואה ערך בהפצת תורה לכלל הציבור היהודי בישראל, ומתוך כך מעודד הקמת גרעינים תורניים בערים שונות בארץ. תלמידיו הקימו גרעינים בדימונה, רמלה, תל אביב הוד השרון ועוד. הוא שולח את תלמידיו לחיזוק יישוב הארץ, בפרט בהתנחלויות. בשנת ה'תשנ"ד (1994) החזיקו בשליחותו שישה מתלמידיו את היישוב רחלים וקיימו בו סמינריונים בנושאי יהדות. היישוב עטרת חוזק על ידי קבוצת אברכים ששלח להתגורר במקום. תלמידיו פועלים גם בקהילות יהודיות בחוץ לארץ.
אחד הנושאים החשובים ביותר לרב מלמד, הוא האחדות. מתוך תפיסת עולם זו, יזם את כנס הרבנים של כלל רבני הציונות הדתית, בו גם היה בין הנואמים המרכזיים. הוא עמל על הקמת 'איחוד רבני הציונות הדתית' ארגון שמטרתו להביא לאחדות בציונות הדתית ובין רבניה ובנוסף שיגיע להסכמות בנושאים משמעותיים. במפקד שנערך לשם כך הוחתמו מאות רבנים מרבני הציונות הדתית.
היחס למדינה ולהנהגתה.
יחסו לגופים המדיניים בישראל מורכב. אף שהוא מקדש את מדינת ישראל עצמה כמתנת הקב"ה לעמו וכראשית צמיחת הגאולה, תפיסתו את הממשלה היא מכשירית: "הממשלה היא בשביל העם ולא העם בשביל הממשלה", כלשון הרב צבי יהודה הכהן קוק, וכאשר היא אינה מיישמת את הנדרש ממנה לפי דעתו ופועלת בניגוד לתורה, הוא לא נמנע מלבקר אותה ולפעול נגד מדיניותה גם בדרך מחאה אקטיבית.
בימי הסכמי אוסלו החליף בתפילה לשלום המדינה הנאמרת בשבת בבתי הכנסת את המשפט "ושלח אורך ואמיתך לראשיה, שריה ויועציה" במשפט: "והעמד בראשה אנשי חיל, יראי אלהים, אנשי אמת, שונאי בצע ושלח אורך ואמיתך אליהם". הוא גם החליף בתפילה לשלום חיילי צה"ל את המינוח "צבא ההגנה לישראל" ל"צבא ישראל" על מנת להדגיש שצבא ישראל צריך להיות לפעמים גם צבא התקפה ולא רק צבא הגנה. לאחר ההתנתקות תיקן בשנית את נוסח הברכה ב"תפילה לשלום חיילי צה"ל" והוסיף למשפט "ושלח ברכה והצלחה בכל מעשה ידיהם" את המילה "הטובים" כיוון שמעשי ידיהם ה"רעים" אינם ראויים לברכה. כמו כן קיצץ מנוסח התפילה את הגבולות "מגבול הלבנון ועד מדבר מצרים ומן הים הגדול עד לבוא הערבה" מתוך האמונה בהבטחה האלוהית הכתובה בתנ"ך כי גבולות הארץ צריכים להתרחב מעבר לכך, עד לנהר פרת. בתקופה שבה כיהן כראש ועד רבני יש"ע, גוף שאותו ייסד בב' בטבת ה'תשס"א (28 בדצמבר 2000), תקף בחריפות חסרת תקדים את ראש הממשלה אהוד ברק בשל נכונותו לוותר על הר הבית בהסכם מדיני עם הערבים. הרב מלמד חבר גם באיחוד הרבנים למען ארץ ישראל.
בתקופת ההתנתקות מגוש קטיף הצטרף לאמירתו הנחרצת של ראש ישיבת מרכז הרב הרב שפירא וקרא מפורשות לסירוב פקודה. הוא אף הוסיף שיש לעמוד כנגד התוכנית במסירות נפש (כפי שהתבטא גם רבו הרב צבי יהודה הכהן קוק). לאחר שהרב שלמה אבינר פרסם כי הוא מתנגד לסרבנות אקטיבית הורה הרב מלמד להפסיק את שיעוריו של הרב אבינר בישיבת בית אל. בעת פינוי גוש קטיף שהה הרב מלמד עם רבנים נוספים בבית הכנסת בכפר דרום. כאשר כוחות הביטחון ביקשו את עזרתו בפינוי שקט של תלמידיהם שהתבצרו על גג בית הכנסת, סירב לסייע בידם.
בעקבות הפינוי כתב תחת הכותרת "לא נשכח ולא נסלח" כי "צה"ל כבר איננו רק קודש, אלא יש בו תערובות של מצווה ועבירה". עוד קרא להשפיע מבחוץ היכן שאי אפשר להשפיע מבפנים. הוא הביע תמיכה בבניית מערכות אלטרנטיביות: בחינוך, בתנועת הנוער, בתקשורת ואף בכלכלה, אך הוסיף שביחד עם עשייה זו אסור להתנתק מהמדינה, שבה הוא ממשיך לראות את ראשית צמיחת גאולתנו.