Народився 25 серпня 1970 р. у м. Києві в сім'ї службовців.У 1987—1992 рр. навчався на біологічному факультеті Київського державного університету ім. Т. Г. Шевченка, здобув фах біохімія.З 1992 по 1995 р. навчався в аспірантурі Інституту біохімії ім. О. В. Палладіна НАН України. Кандидатську дисертацію на тему: «Гіперкапнія як фактор регуляції обміну речовин у тварин в стані при­родного та штучного гіпобіозу» захистив за спеціальністю 03.00.04 — біохімія у 1995 р. Працював молодшим науковим співробітником від­ділу регуляції обміну речовин у вищезазначеному інституті. З 1996 р. працював асистентом кафедри біохімії факультету ветеринарної ме­дицини Національного аграрного університету (нині — Національ­ний університет біоресурсів і природокористування (НУБіП) Украї­ни), старшим викладачем (1998), доцентом (2001).У 1998 р. закінчив ветеринарний факультет Національного аграрно­го університету за спеціальністю ветеринарна медицина (як друга вища освіта). Також у 2000 р. проходив шестимісячне стажування в США за спеціальністю Food Science (якість і безпека харчової продукції).У 2001—2004 рр. працював на посаді декана новоствореного факультету якості і безпеки продукції АПК НАУ. На даному факультеті, який і досі не має аналогів в Україні, було вперше розроблено і згодом акре­дитовано в ДАК України нову магістерську спеціальність для аграрних вузів — якість, стандартизація і сертифікація для підготовки менедже­рів з управління якістю.У 2004 р. захистив дисертацію на здобуття наукового ступеня докто­ра біологічних наук на тему: «Молекулярні механізми дії вуглекислоти на розвиток та підтримання гіпобіотичного стану тварин» за спеці­альністю 03.00.04 — біохімія (у спеціалізованій раді Інституту біохімії ім. О. В. Палладіна НАН України).У 2005 р. присвоєно звання професора кафедри біохімії, якості і безпеки сільськогосподарської продукції НАУ (рішення Атестаційної колегії від 9 жовтня 2006 р., протокол № 4/06-П).У 2005 р. очолював комісію «Стандарти, безпека та екологічно чисті продукти» при Кабінеті Міністрів України в рамках Комплексної програми підтримки та розвитку Українського села «Добробут через аграр­ний розвиток», є членом Науково-експертної ради з питань реєстрації пестицидів та агрохімікатів Міністерства охорони навколишнього природного середовища України.У 2004—2009 рр. С. Д. Мельничук обіймав посаду проректора з навчальних та науково-виробничих питань якості, стандартизації та сертифікації продукції АПК НУБіП України та директора Української лабораторії якості і безпеки продукції АПК.У 2007 р. обрано членом-кореспондентом УААН Відділення аграр­ної економіки і продовольства.З 2010 р. і донині — директор Українського навчально-наукового інституту якості біоресурсів та безпеки життя та Української лабораторії якості і безпеки продукції АПК.Під керівництвом професора С. Д. Мельничука проводиться зна­чна наукова робота з питань управління якістю і безпекою продукції АПК:·   розробка, експертиза та застосування генних, молекулярно-біологічних, аналітичних й інших сучасних методів діагностики здоров'я тварин і рослин, а також визначення їхнього походження та гене­тична ідентифікація порід і сортів;·  виявлення в продукції АПК трансгенних матеріалів, а також збудників вірусних, бактеріальних та мікологічних захворювань;·  моніторинг забруднення екосистем ксенобіотиками;· проведення державних випробувань засобів захисту рослин та агрохімікатів з метою їхньої реєстрації в Україні;· активна участь у створенні бази даних щодо методик проведення біологічних та токсикологічних досліджень;·  гармонізація регулюючої та нормативної документації з питань якості та безпеки продукції АПК;·  забезпечення підготовки і перепідготовки кадрів у визначеній сфері.Мельничук С. Д. є одним із засновників наукової школи в Україні з питань вивчення молекулярних механізмів розвитку і підтримання стану природного і штучного гіпобіозу тварин в Україні. Вченим впер­ше запропоновано механізм анаеробної взаємотрансформації енергії відновлених піридиннуклеотидів і АТР у клітинах тварин за умов природного гіпобіозу.Опубліковано 136 наукових праць, має 12 патентів на винахід, 1 підручник, 1 посібник, 2 монографії, 18 навчально-методичних вказівок, 1 методичну рекомендацію, 12 робочих зошитів видано під грифом Міністерства освіти і науки і Міністерства аграрної політики, які є базовими для підготовки фахівців спеціальностей ветеринарної медицини, якості і безпеки продукції АПК.Професор С. Д. Мельничук нагороджений Почесною грамотою Кабінету Міністрів України (2003), Подякою Кабінету Міністрів України (2005), знаком Пошани Міністерства аграрної політики (2006), знаком «За наукові досягнення» Міністерства освіти та науки України (2007), присуджено Державну премію України в галузі науки і техніки (2009).