Doctor en psicologia per la McGill University (1954). Les seves primeres recerques es basaren en l’estudi de la síndrome del membre fantasma en pacients que sentien dolor en membres amputats. Juntament amb el neurofisiòleg britànic Patrick Wall, l’any 1965 formulà la teoria de la porta d’entrada (gate-control theory), que postula que el sistema nerviós té mecanismes propis de modulació i que no és possible d’explicar totes les seves reaccions segons el sistema estímul-resposta. Amb algunes correccions, la porta d’entrada és el paradigma actual de la fisiologia del dolor. L’any 1990 Melzack proposà l’existència de la neuromatriu (neuromatrix), un nou concepte per a explicar situacions clíniques que no es poden explicar amb la seva porta d’entrada. També és l’autor del qüestionari MPQ (McGill Pain Questionnaire) (1975) per a l’avaluació del dolor, basat en adjectius que el caracteritzen en cada pacient i que s’utilitza regularment per a avaluar el dolor principalment en malalts de càncer. És autor i coautor de centenars d’articles sobre la temàtica dels mecanismes de transmissió del dolor. Entre altres distincions, rebé el Canada Council Molson Prize (1985), el Canadian Pain Society Award (1995), l’Izaak Walton Kiliam (2001) i el Grawemeyer Award (2010).