In Melbourne finden die wichtigsten Sportveranstaltungen Australiens statt. Jährlich im Januar findet das Tennis-Grand-Slam-Turnier Australian Open statt. Im März ist der Auftakt der Formel 1, der Große Preis von Australien auf dem Albert Park Circuit in St Kilda. Melbourne gilt als Ursprung für den in Australien beliebtesten Sport Aussie Rules. Das jährliche Grand Final findet im Melbourne Cricket Ground statt. Dieses auch MCG genannte Stadion ist eines der größten Stadien der Welt. Hier findet jährlich am zweiten Weihnachtsfeiertag (Boxing Day) ein Test-Cricket-Spiel gegen England statt. Am 24. Oktober 2015 findet im Etihad Stadion im Rahmen der Speedway-Weltmeisterschaft der Speedway WM-Grand Prix von Australien statt. Des Weiteren fand 1975 im Melbourner "Nunawading Basketball Stadium" das Finale der Snookerweltmeisterschaft 1975 statt. Melbourne war unter anderem einer der Austragungsorte beim Cricket World Cup 1992, der Rugby-Union-Weltmeisterschaft 2003 und dem Cricket World Cup 2015.