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Sua primeira aparição na televisão foi na série de comédia Jenny da NBC, atuando ao lado de sua prima Jenny McCarthy, no cinema ela fez sua estreia no filme Go, mais tarde atuou em filmes de comédias Drowning Mona, Disney's The Kid e Charlie's Angels.

Em 2000 McCarthy conseguiu o papel para interpretar Sookie St. James na série Gilmore Girls da The WB, que terminou em 2007, quando ela decidiu focar em sua carreira no cinema, participando nesse mesmo ano ao lado do ator Ryan Reynolds no filme The Nines e depois ao lado de Danny DeVito no filme Just Add Water, lançado em 2009. Ainda nesse mesmo ano, fez Dena na série de comédia Samantha Who? além de ter feito uma pequena participação na série Private Practice. Também fez uma pequena participação no filme de comédia romântica Life as We Know It ao lado da atriz Katherine Heigl.

• 𝟐𝟎𝟏𝟏-𝐀𝐭𝐮𝐚𝐥𝐦𝐞𝐧𝐭𝐞
Em 2011, McCarthy foi escalada para viver Molly Flynn na série da CBS Mike & Molly, pela qual ganhou o Emmy do Primetime de melhor atriz numa série de comédia. Ainda em 2011, fez o filme Bridesmaids ao lado das atrizes Kristen Wiig, Maya Rudolph, Rose Byrne, Wendi McLendon e Ellie Kemper, recebendo sua primeira indicação ao Oscar de melhor atriz coadjuvante. McCarthy também atuou nos filmes This Is 40 ao lado de Leslie Mann e Paul Rudd. Também apresentou por três vezes o programa Saturday Night Live sendo que ela foi indicada ao Emmy do Primetime de melhor atriz convidada de série de comédia nas três ocasiões.

Em 2013, co-estrelou o filme Identity Thief (no Brasil como o titulo de Uma Ladra Sem Limites), ao lado do ator Jason Bateman. O filme ocupou o 1º lugar nas bilheterias e arrecadou mais de 170 milhões de dólares em todo o mundo. Mais tarde estrelou o filme de comédia The Heat, ao lado da atriz Sandra Bullock. O longa se tornou uma dos maiores sucessos daquele ano faturando 229 milhões do dólares em todo mundo. Sandra e Melissa foram bastante elogiada pela critica especializada.

Em 2014 McCarthy estrelou, escreveu e produziu o filme Tammy, que foi lançado em 2 de julho de 2014. O filme ainda contou com um elenco de peso, tendo Susan Sarandon e Kathy Bates, ambas ganhadoras do Oscar, o ator indicado ao Oscar Dan Aykroyd e as atrizes ganhadoras do Emmy Allison Janney e Toni Collette, além das participações da atriz Sandra Oh e do ator Gary Cole em seu elenco. O longa arrecadou 100 milhões de dólares, porém o filme recebeu criticas negativas. Ainda em 2014, McCarthy fez o filme St. Vincent ao lado do ator Bill Murray. Em 9 de janeiro de 2015 foi anunciado que McCarthy iria estrelar o filme de Paul Feig, As Caça-Fantasmas.