Род Мельниковых принадлежал к старинному дворянству, но он не был ни знатным, ни богатым. Отец будущего писателя хотел в молодости поступить в открывшийся в 1805 году Казанский университет, но за недостатком необходимого образования («Латинского языка вовсе не знал, а по математике знал только четыре арифметических правила». — П. Мельников. Автобиография) оставил эту мысль и поступил в набиравшееся в ту пору по случаю войны с Наполеоном земское войско, где его избрали сотенным начальником. В 1808 году милицию (так стало называться земское войско) распустили, и Иван Иванович Мельников поступил на действительную службу в Уфимский пехотный полк, а затем в рядах Великолуцкого пехотного полка совершил походы за границу (1813–1814). В 1816 году его перевели в Нижегородский гарнизонный батальон и вскоре назначили начальником жандармской команды. Впрочем, тогда это была всего-навсего обыкновенная полицейская стража. С рождением первенца Иван Иванович Мельников вышел в отставку и до конца своих дней (1837) служил по выборам дворянства Нижегородской губернии.

Ни отец, ни дед будущего писателя не извлекли из службы каких-либо особых материальных выгод и потому не могли дать своим детям того начального образования и воспитания, которое получали многие дети людей их круга, их сословия. До десяти лет П. Мельников обучался дома, и тут особую роль в его развитии сыграла мать, Анна Павловна, привившая сыну любовь к чтению, любовь к литературе и истории. Десятилетний мальчик переписывал в тетради стихи Пушкина, Жуковского, Дельвига, Баратынского.

В 1829 году П. Мельников поступил в Нижегородскую гимназию, которую успешно окончил в 1834 году. Особых впечатлений из гимназии он не вынес и потом с благодарностью вспоминал лишь учителя словесности Савельева и учителя зоологии Кученеева. Правда, навсегда запомнилась одна история. В те времена в Нижнем Новгороде уже был театр, и многие гимназисты с увлечением посещали его, увлечение переросло в желание самим ставить спектакли, и тому выдался подходящий случай.