Fille unique, elle pratique d'abord le judo, mais, en raison de sa taille, elle se voit opposer à des filles ou des femmes plus âgées et plus fortes qu'elle, ce qui la démotive de ce sport. Elle découvre par hasard le basket-ball et rejoint le club de sa commune, le SC Le Rheu. Après un déménagement, elle rejoint l'Avenir de Rennes. Désormais passionnée, elle rejoint un sport-études. Avec son club de Rennes, elle est rapidement surclassée pour évoluer avec l'équipe sénior qui évolue en Nationale 2, équipe alors dirigée par Hervé Coudray.

Elle rejoint ensuite l'INSEP: les autres filles sont Nathalie Lesdema, Laure Savasta, Audrey Sauret, Sandra Le Dréan, Nicole Antibe. Ces filles, qui forment l'ossature de l'équipe de France quelques années plus tard, remportent ensemble un premier titre avec le championnat de France de Nationale 2 en 1992.

Carrière en club

Après l'INSEP, elle rejoint le Tarbes Gespe Bigorre pour la saison 1993-1994. Le club termine à la troisième place du championnat de France et termine sa carrière européenne en demi-finale de la Coupe Ronchetti, compétition où elle contribue à hauteur de 6,8 points, 2,4 rebonds et 1,3 passe par rencontre3. Elle signe ensuite pour le club d'ASPTT Aix-en-Provence où elle joue pendant une saison.

Elle rejoint le nouveau champion de France en titre, le club de Bourges, entraîné par Vadim Kapranov et dirigée sur le terrain par Yannick Souvré. Le club, pour sa première participation en Coupe des clubs champions, atteint le Final Four. Lors de cette compétition, les statistiques de Melain sont de 6,9 points, 3,2 rebonds, 1,4 passe. Sur la scène nationale, Bourges remporte le championnat de France et le tournoi de la Fédération.

La saison suivante, le club berruyer confirme son bon niveau européen en remportant le Final Four de l'Euroligue 1997.

Bourges dispute le Final Four en Euroligue 1998 dans sa salle du Prado à Bourges. En finale, Bourges remporte son deuxième titre consécutif face à Getafe Madrid. Bourges remporte de nouveau le championnat de France, face à Valenciennes , mais laisse la victoire à ce même adversaire lors du tournoi de la Fédération.

En 1998-1999, la finale voit Bourges l'emporter face à Valenciennes-Orchies . Cathy Melain, avec 15,1 points de moyenne, est nommée MVP de la compétition. Plus tôt dans la saison, les Berruyères ont également remporté le tournoi de la Fédération. Sur la scène européenne, Bourges échoue en quart de finale face aux futures vainqueures de la compétition, les joueuses de Ružomberok, C'est aussi Ruzomberok, qui prive Melain et ses coéquipières d'un troisième titre en Euroligue lors de la finale 2000 Lors de cette rencontre à deux prolongations, Cathy Melain dispute 48 des 50 minutes de la rencontre, marque 24 points à 7 sur 11 et capte 5 rebonds. Elle est également élue meilleure joueuse du Final Four de la compétition. Comme lors de la saison précédente, Bourges remporte le tournoi de la Fédération et le championnat de France, Melain remportant son deuxième titre consécutif de meilleure joueuse de la LFB.

Bourges et Valenciennes se retrouvent en finale de l'Euroligue 2001 lors du Final Four de Messine, . C'est finalement Melain qui va emporter la décision pour son équipe: les équipes étant alors à égalité, elle reçoit la balle sur la remise en jeu, traverse le terrain et va déposer le ballon. Elle termine meilleure marqueuse de son équipe avec 18 points. Quelques semaines plus tard, Valenciennes prend sa revanche en finale du championnat. Pour la troisième saison consécutive, Cathy Melain est désignée meilleure joueuse de la LFB.

Cathy Melain se lance un nouveau défi et décide de relancer sa carrière en rejoignant un championnat étranger, l'Italie, dans le club de Reyer Venise. Elle y découvre un nouveau rôle, celui de l'étrangère sur lequel repose la responsabilité du jeu.

Après deux saisons, elle retrouve son ancien club de Bourges de Pierre Vincent et gagne par trois titres nationaux, coupe de France, tournoi de la Fédération et championnat de France. Toutefois elle perd la scène européenne, en quarts de finale.

Pour la saison 2006-2007, Bourges remporte le tournoi de la Fédération mais échoue en coupe de France 72 à 51 et en championnat, les trois compétitions opposant comme souvent Bourges à Valenciennes. Bourges retrouve un Final Four d'Euroligue 2007 mais échoue en demi-finale.

Cathy Melain enrichit son palmarès de trois nouveaux titres en 2008, avec les victoires en Coupe de France, au tournoi de la Fédération et championnat de France.

La saison 2008-2009 est la dernière de la carrière de joueuse de Cathy Melain. la FIBA Europe décide de l'honorer en la sélectionnant dans l'équipe d'Europe lors du All Star Game de l'Euroligue 2009, disputé à Paris. Bourges remporte le championnat face à Tarbes. Puis, Melain dispute et remporte son dernier match sous le maillot des tangos en finale de la coupe de France, toujours face aux Tarbaises.

Équipe de France

Le championnat d'Europe 2001 se dispute en France. La France l’emporte en finale face à la Russie. Cathy Melain apporte 17 points avec en moyenne sur la compétition, 12 points, capte 5,3 rebonds et donne 4 passes pour 28 minutes de jeu. Cathy Melain est également nommée meilleure joueuse de la compétition.

Le titre de championne d'Europe donne accès au mondial 2002 disputé en Chine où elle est battue en quarts de finale contre l’Australie.

Cathy Melain prend la succession de Souvré dans le rôle de capitaine. Sa première compétition dans ce rôle se déroule en Grèce, lors du championnat d'Europe 2003. Les Françaises finissent à la cinquième place.

Pour le championnat d'Europe 2005, la France échoue contre la Russie, en quart de finale, et Melain apporte 13 points, 6,6 rebonds et 3,6 passes et met un terme à sa carrière internationale.

En 2009, le sélectionneur de l'équipe de France, Pierre Vincent, la rappelle pour qualifier l’equipe de France au prochain mondial.C’est chose faite, en finale face aux Russe la France remporte son deuxième titre européen.

Personnalité et style de jeu

Cathy Melain est une joueuse qui privilégie le collectif sur l'individuel. Elle correspond ainsi parfaitement à l'idée du basket-ball que préconise le sélectionneur national Alain Jardel qui s'est appuyé sur une défense rigoureuse. En 2001, à la suite de la victoire au championnat d'Europe où elle termine avec le titre de MVP, il la définit comme une « joueuse incontournable, .. Parfois elle est même altruiste, veut faire l'extraballe de plus ». Sur le plan défensif, elle contribue de plusieurs manières à l'objectif de son équipe : elle est une excellente interceptrice, mais qualité plus rare pour une arrière-ailière, elle est également une excellente contreuse, comme le prouvent ses statistiques de la saison 2001-2002 où elle termine troisième meilleure interceptrice avec 2,47 et première de la catégorie du contre, avec 1,23. Elle n'hésite pas à aller aider ses coéquipières de l'intérieur lors des rebonds.

Sa coéquipière à Bourges et en équipe de France, Yannick Souvré la définit comme : « .. un fort caractère mais c'est quelqu'un de très discret, qui aime être appréciée mais pas remarquée. Sa timidité peut faire penser à de l'arrogance mais c'est un roc qui cache une extrême sensibilité ».

•  Championne d’Europe 2009 à Rīga (Lettonie);
• Championne d’Europe 2001 au Mans (France);
• Vice-championne d’Europe 1999 en Pologne;
• Vice-championne d’Europe 1993 en Italie;
• 1ère  Jeux de la francophonie 1994;
• Finaliste des Goodwill Games 1994;
• Jeux méditerranéens de 1997 (Languedoc-Roussillon);
• 5e aux Jeux Olympiques de Sydney 2000.
• 241 sélections en équipe de France (4e rang)

• Championne de France : 1996, 1997, 1998, 1999, 2000, 2006, 2008, 2009;
• Finaliste Championne de France : 2001, 2002, 2007;
• Championne de France de 2e division avec l'INSEP : 1992;
• Tournoi de la Fédération : 1996, 1999, 2000, 2001, 2006, 2007, 2008;
• Coupe de France : 2006, 2008, 2009;
• Meilleure joueuse française de la saison : 1998-1999, 1999-00, 2000-01
• 3 fois Championne d'Europe Euroligue : 1997, 1998, 2001;
• Vice-Championne d'Europe Euroligue : 2000;
• Meilleure joueuse du Final Four 2000 de l'Euroligue.