Maciej Mielżyński urodził się 13 października 1869 r. w Chobienicach, w rodzinie ziemiańskiej. Jego rodzicami byli Karol i Elżbieta z domu Bnińska. Edukację na poziomie szkoły elementarnej pobierał w domu, następnie uczył się w prywatnym gimnazjum francuskim w Berlinie i gimnazjum pruskim w Lesznie. Po złożeniu egzaminu dojrzałości w 1889 r. podjął studia prawnicze na Uniwersytecie w Monachium. Interesował się malarstwem, pobierał nauki u Józefa Brandta. W 1891 r. wstąpił na służbę do pułku „białych kirasjerów” we Wrocławiu uzyskując stopień porucznika. Po powrocie w rodzinne strony, w 1894 r. wstąpił do Narodowej Demokracji i wszedł w skład Polskiego Centralnego Komitetu Wyborczego w Poznaniu. Jako poseł do Reichstagu bronił polskich interesów narodowych i ekonomicznych. W 1907 r. został ponownie wybrany do Reichstagu. W 1909 r. zamieszkał w Berlinie angażując się jednocześnie w działalność na Górnym Śląsku, gdzie wykupił zagrożone upadkiem wydawnictwo im. Karola Miarki i wsparł wydawaną przez Wojciecha Korfantego „Polonię”. Po wystąpieniu w 1911 r. z Rady Głównej Towarzystwa Demokratyczno–Narodowego współtworzył, wraz z W. Korfantym i A. Napieralskim, Stronnictwo Polskie. W 1912 r. ponownie został wybrany do Reichstagu.
Po wybuchu I wojny światowej zgłosił się na ochotnika do służby w Armii Cesarstwa Niemieckiego. Brał udział w walkach na froncie zachodnim i w Prusach Wschodnich. Jako porucznik pełnił m.in. funkcję dowódcy oddziału kawalerii, adiutanta cesarza Wilhelma II i szefa sztabu grupy armii na froncie wschodnim. Został ranny i trafił na leczenie do Berlina. Od czerwca 1915 r. do października 1916 r. był oficerem łącznikowym przy Legionach Polskich, a następnie do końca wojny służył w garnizonie w Berlinie zajmując się szkoleniem.
Po zakończeniu wojny Mielżyński osiadł w Dakowych Mokrych, gdzie prowadził gospodarstwo rolne. Podczas wojny polsko-bolszewickiej, na początku 1920 r. wstąpił do Wojska Polskiego. Jako doświadczony oficer objął funkcję szefa sztabu Frontu Północnego, dowódcy 5 Pułku Strzelców Konnych. Po awansie na stopień majora został dowódcą 115 Pułku Ułanów, a następnie I Dywizji Piechoty. Z tej funkcji został oddelegowany do prac w komisji delimitacyjnej ustalającej przebieg granicy polsko-niemieckiej w Wielkopolsce. W grudniu 1920 r. decyzją władz wojskowych został przeniesiony do Sosnowca, gdzie stał się współpracownikiem Centrali Wychowania Fizycznego, a po jej przekształceniu 15 stycznia 1921 r. zastępcą szefa Dowództwa Obrony Plebiscytu, płk. Pawła Chroboka. Po jego odwołaniu, 1 kwietnia 1921 r. objął funkcję szefa DOP. Przygotowany na jego polecenie plan powstania zakładał opanowanie terenów do tzw. Linii Korfantego. Mielżyński uważał, że powstanie nie powinno być jedynie demonstracją zbrojną mającą na celu osiągniecie celów politycznych. Podczas III powstania śląskiego pełnił funkcję głównodowodzącego wojskami powstańczym. Po opanowaniu okręgu przemysłowego i północno-wschodniej części terenu plebiscytowego 8 maja zdobyta została Góra św. Anny. Jednak w nocy 20 maja nastąpił atak sił niemieckich, a 23 maja doszło do bitwy przegranej przez powstańców dowodzonych osobiście przez Mielżyńskiego oraz utraty Góry św. Anny. To niepowodzenie doprowadziło 30 maja do jego odwołania z funkcji głównodowodzącego. Pod koniec 1921 r. przeniesiony został do rezerwy. Osiadł w Gołębiewku pod Tczewem, gdzie zakupił majątek ziemski. W latach międzywojennych był członkiem Związku Powstańców Śląskich i prezesem Zjednoczonych Związków Wojackich.
Został odznaczony m.in. Krzyżem Srebrnym Orderu Wojennego Virtuti Militari, Krzyżem na Śląskiej Wstędze Waleczności i Zasługi oraz Gwiazdą Górnośląską.
Po wybuchu II wojny światowej przeniósł się wraz z rodziną do Warszawy. Następnie, dzięki pomocy dawnego przyjaciela, wyjechał do Wiednia, gdzie zmarł 9 stycznia 1944 r. pozostając pod stałym nadzorem Gestapo.