Mylène Demongeot passe son enfance à Nice (Alpes-Maritimes), les quatre premières années dans une maison sise 1, rue Frédéric-Passy chez sa grand-mère paternelle, ses parents vivant à Paris. Fin 1939, après la déclaration de guerre, ses parents la rejoignent à Nice.
Elle a 13 ans lorsque sa famille s'installe à Paris. Elle apprend le piano avec Marguerite Long et Yves Nat et s'inscrit par ailleurs au cours Simon qu’elle quitte pour suivre celui de Marie Ventura. Parallèlement à ses premiers petits rôles au cinéma à partir de 1953, elle pose pour des photos publicitaires et tombe amoureuse du photographe Henry Coste (1926-2011) qu’elle rencontre en 1956. C’est d’ailleurs grâce à l’un de ces clichés qu’elle devra d’être remarquée par Raymond Rouleau à la recherche de « son Abigail » pour son prochain film Les Sorcières de Salem, rôle qui apporte la consécration à Mylène en 1957 à 21 ans. Après avoir divorcé, Henry Coste l'épouse en 1958. Ils divorcent en 1968.
À ses débuts, sa blondeur et sa grâce mutine la font rivaliser avec une autre jeune actrice en vogue, Brigitte Bardot. Mais elle va se démarquer de ces comparaisons avec BB, avec laquelle elle partage d'ailleurs une amitié et un même amour des animaux, en diversifiant ses emplois. Elle tourne très tôt dans des productions étrangères, notamment dans Bonjour tristesse de Preminger en 1958 et surtout en Italie. Dans ce pays, elle se hisse au rang de star très populaire dès 1959 avec le péplum La Bataille de Marathon et avec sa participation très remarquée auprès de Laurent Terzieff (dans une mémorable séquence du film Les Garçons) de Bolognini.
Mylène Demongeot en 1961.
Facilement étiquetée, à l'époque, de « blonde sensuelle », ses louables prestations dramatiques dans les films L'Inassouvie de Risi (1960) ou Le Cavalier noir (1961) de Baker seront souvent ignorées. Même quand elle change radicalement de registre avec ses rôles espiègles et attendrissants dans les élégants marivaudages de Deville (À cause, à cause d'une femme, L'Appartement des filles), il semble que producteurs et public la préfèrent dans des séries populaires comme Les Trois Mousquetaires ou celle des Fantômas.
Mylène Demongeot a eu comme partenaires à l'écran quelques-uns parmi les acteurs les plus réputés du cinéma : Jean Marais (à plusieurs reprises, dont la trilogie Fantômas), Yves Montand, Henri Vidal (dans Une manche et la belle et Sois belle et tais-toi), Curd Jürgens, David Niven, Steve Reeves, Roger Moore, Dirk Bogarde (dans Le Cavalier noir et Docteur en détresse), Jeffrey Hunter (dans L'Or des Césars et La Marine en folie), Sami Frey, Jean-Paul Belmondo, Michel Piccoli, Gérard Depardieu et des affinités avec de grandes figures comiques de l'écran et de la scène : Louis de Funès, Francis Blanche, Henri Salvador et Pierre Richard.
En 1966, lors du tournage pour la télévision d'un des épisodes des Dossiers de l'agence O, Mylène Demongeot rencontre Marc Simenon, réalisateur et fils de l'écrivain Georges Simenon et l'épouse la même année, avec comme témoins Marcel Achard et Henri Salvador. Pour lui, elle met sa carrière professionnelle au second plan pour le seconder dans ses productions. Ils se marient le .
Mylène Demongeot en octobre 2013 à Waterloo.
Marc Simenon meurt accidentellement le . Depuis, Mylène Demongeot partage son temps entre l'écriture, son action en faveur de la cause animale, la lutte contre la pollution, la lutte contre les mines antipersonnel (elle est Marraine Fondatrice de l'ONG HAMAP)8 tandis qu'au cinéma, on retrouve sa dualité d'actrice populaire et avant-gardiste.
Elle est capable de tourner aussi bien avec Michel Gérard qu'avec des auteurs comme Bertrand Blier ou Cédric Kahn ou encore de s'impliquer dans des productions comme La Piste du télégraphe de Liliane de Kermadec ou Victoire de Stéphanie Murat. Les années 2000 et 2010 continuent à lui offrir une diversité de rôles : elle alterne films à succès, comme 36 Quai des Orfèvres d'Olivier Marchal, le triptyque Camping / Camping 2 / Camping 3de Fabien Onteniente, avec les films de Hiner Saleem qui l’emploie successivement dans Les Toits de Paris(2007) et Si tu meurs, je te tue (2011).