Mellouli saavutti yhden pronssimitalin uinnin maailmanmestaruuskilpailussa 2003 ja kaksi pronssimitalia 2005. Lyhyen radan MM-kilpailuissa 2004 hän voitti 400 metrin sekauinnin ja sijoittui pronssille 200 metrin sekauinnissa. Vuoden 2007 MM-kilpailuissa hän voitti alun perin kultaa 800 metrin vapaauinnissa ja hopeaa 400 metrin vapaauinnissa. Hän kuitenkin menetti mitalinsa jälkeenpäin kun selvisi hänen antaneen positiivisen dopingnäytteen jo marraskuussa 2006. Hän sai 18 kuukauden kilpailukiellon, joka merkittiin alkaneeksi 30. marraskuuta 2006.