Mellouli gewann bei den Schwimmweltmeisterschaften 2003 in Barcelona die Bronzemedaille über 400 m Lagen. Bei den Weltmeisterschaften 2005 in Montreal gewann er ebenfalls die Bronzemedaille über 400 m Lagen und über 400 m Freistil. Bei den Weltmeisterschaften 2007 in Melbourne wurde er zunächst Sieger über 800 m Freistil und Zweiter über 400 m Freistil.