Mellouli ja va tindre una discreta participació en els Jocs Olímpics de Sydney, l'any 2000. Però en 2003 va arribar el seu primer èxit internacional amb la medalla de bronze en els 400 estils al Campionats Mundials de Barcelona, rubricada tan sols un any després als Mundials en piscina curta. Pareixia que la seva definitiva consagració arribava després de deixar els estils pel crol. En 2005, als Campionats Mundials de Mont-real va penjar-se dos bronzes als 400 lliures i 400 estils. Dos anys després, als Campionats Mundials de Melbourne, va guanyar la cursa dels 800 lliures i tan sols va ser superat per Park Tae-Hwan als 400. No obstant això, Mellouli va donar possitiu per anfetamines en els controls contra el dopatge. Finalment, el setembre del mateix any, el Tribunal d'Arbitratge de l'Esport va llevar-li les dues medalles guanyades aquella primavera i el va sancionar per 18 mesos.