Rooman MM-kilpailuissa 2009 Mellouli voitti 1 500 metrin vapaauinnin maailmanmestaruuden ajalla 14.37,28. Lisäksi hän sai hopeaa 400 ja 800 metrin vapaauinnissa. Dubain lyhyen radan MM-kilpailuissa 2010 hän sai kultaa 1 500 metrin vapaauinnissa ajalla 14.24,16, hopeaa 400 metrin sekauinnissa sekä pronssia 200 ja 400 metrin vapaauinnissa. Barcelonan MM-kilpailuissa 2013 Mellouli voitti kultaa 5 kilometrin avovesiuinnissa ja saavutti pronssia 10 kilometrillä. Dohan lyhyen radan MM-kilpailuissa 2014 hän sai hopeaa 1 500 metrin vapaauinnissa.