Han vokste opp på storgården Grefsheim på Nes som sønn av gårdbruker, statsråd og stortingsmann Johan E. Mellbye og hustru Emelie Pettersson. Faren var formann i Norges Bondelag og fungerte som den første formannen i Bondepartiet, nå Senterpartiet. På farssiden var han også oldebarn (datters sønnesønn) av historiker Peter Andreas Munch. Moren var datter av den svenske oseanograf Otto Pettersson og hans norske hustru, Agnes Irgens. På morssiden var han dermed oldebarn av generalmajor og statsråd Nils Christian Irgens og tippoldebarn av sorenskriver og eidsvollsmann Lars Johannes Irgens.