Название церкви связано с Мельницкой слободой, известной с середины XVII века своими мельницами. До 1659 года здесь находился мужской монастырь Николосковородский. В 1609 году польские интервенты разрушили монастырь, убив многих, включая игумена Варсонофия. Монастырь сожгли, но в церкви святого Николая уцелел чудотворный образ святителя Николая Мирликийского. Каменную пятиглавую церковь во имя святителя Николая начали строить 28 марта 1668 года на средства ярославского купца Мартиниана Дурандина, который умер 10 декабря 1668 года, не дождавшись завершения строительства. Храм освятили 15 октября 1672 года. Его украшал пятиярусный иконостас с резьбой в виде виноградных ветвей. Храмовая икона Николая Чудотворца, обложенная серебряной ризой, чудом уцелела после пожара 1609 года. В зимнее время её переносили в тёплый храм. Роспись Никольского храма, выполненная с 11 июня 1705 года по 29 августа 1707 года ярославскими мастерами, трижды обновлялась в XIX веке. Роспись церкви Николы в Меленках является ярким примером ярославской школы монументальной живописи. В куполе центрального барабана изображено Отечество, а в других частях храма представлены сцены из Ветхого и Нового Заветов, а также из жизни Николая Чудотворца. Стены храма разделены на шесть ярусов, каждый из которых украшен сюжетными фризами и орнаментами. В 1683 году к северу от храма построили тёплую церковь Успения Богоматери. В 1885 году в ней устроили придел во имя иконы Божией Матери "Всех скорбящих радость". В 1904 году, с ростом числа прихожан, начали строительство нового храма по проекту Александра Иванова. Этот храм, освящённый 5 октября 1908 года, вмещал до 3000 человек и имел колокольню высотой 42 метра. В 1931 году церковь закрыли, а в 1939 году снесли колокольню. В советское время здание использовали как спортзал. В 2010 году церковь вернули верующим, и после реставрации в ней возобновились богослужения. Время сноса тёплой церкви Успения неизвестно.