Die Gemeinde liegt direkt westlich der Landeshauptstadt Kiel, an die sie angrenzt. Im Norden liegen die Gemeinden Ottendorf und Quarnbek, im Südwesten Achterwehr.

Die Gemeinde ist an der Bundesautobahn 210 gelegen, an die sie über die Ausfahrt 6 angebunden ist. Weitere wichtige Straßen führen zu den Kieler Stadtteilen Mettenhof und Russee, sowie nach Ottendorf, Quarnbek und Achterwehr. Melsdorf ist über die Buslinien 6, 91 und 100[2] des VRK an den Kieler Nahverkehr angeschlossen. Der Haltepunkt Melsdorf liegt an der Bahnstrecke Husum–Kiel. Dort halten Regionalbahnen im Stundentakt. In den 1980er Jahren wurde der damalige Bahnhof stillgelegt und die Ausweichgleise in den 1990ern demontiert. Über eine Wiedereröffnung als Haltepunkt wurde aber seit Jahren diskutiert, insbesondere da Melsdorf im Bereich des Bahnhofs in den letzten Jahren stark gewachsen ist. Im Januar 2015 wurde der neue Haltepunkt eröffnet.