Da Ola Elvestuen ble valgt inn på Stortinget i 2013, tok Melby over som byråd for miljø og samferdsel i Oslo. Fra 15. oktober 2013 til oktober 2015 var hun byråd for samferdsel og miljø i Oslo. Hun ble i oktober 2014 nominert på førsteplass på Venstres valgliste i Oslo foran bystyrevalget i 2015. Som byråd for miljø og samferdsel hadde hun ansvar for utbyggingen av kollektivtrafikken i Oslo og kjøp av nye trikker til byen. Hun hadde også ansvaret for sykkelsatsingen i Oslo.