В январе 1942 года был назначен на должность командира 167-й стрелковой дивизии, находившейся на формировании в Уральском военном округе. С июля дивизия под командованием Мельникова вела боевые действия в составе оперативной группы генерал-лейтенанта Н. Е. Чибисова, а с августа в составе 38-й армии участвовала в тяжёлых оборонительных и наступательных боевых действиях на воронежском направлении, а затем — в Воронежско-Касторненской наступательной, Харьковских наступательной и оборонительной операциях, в Курской битве, в Киевских оборонительной и наступательной операциях, а также в освобождении городов Сумы, Ромны и Киев. За отличия в этих боевых действиях дивизии были присвоены почётные наименования «Сумская» и «Киевская».