Nel 1937, a Berlino, sposò Alexander Schenk Graf von Stauffenberg, docente di storia antica che aveva conosciuto nel 1937. Alexander era il fratello maggiore di Claus von Stauffenberg, l'ufficiale che svolse un ruolo di primo piano nella progettazione ed esecuzione dell'attentato del 20 luglio 1944 contro Adolf Hitler. La coppia tentò di nascondere le origini ebree di Melitta, che vennero però scoperte da uno zelante funzionario del Partito Nazionalsocialista. Secondo la legge sulla cittadinanza, promulgata nel 1935, avendo il padre ebreo, la von Stauffenberg venne classificata come per metà ebrea("Halbjüdin"). Dal 1936 la von Stauffenberg lavorava, con incarichi di natura militare per la Askania a Berlino, si occupava dello sviluppo di sistemi di guida automatica e sistemi di mira per bombardieri, effettuò numerosi voli sperimentali e nel 1937 entrò in possesso del brevetto di volo per tutte le classi di velivoli così come per il volo a vela e per quello acrobatico. Nel 1936 prese parte all'esibizione di volo acrobatico organizzata in occasione dei Giochi Olimpici a Berlino, a bordo di un Heinkel He 70 si esibì nel "Olympiade Grossflugtag" all'aeroporto di Tempelhof. Nel 1938 venne inviata, insieme alla pilota sportiva per Elly Beinhorn ad un meeting internazionale di volo a Chigwell (Inghilterra).