Il est né probablement à Ypres (date de naissance inconnue) et son activité est attestée en 1381 et 1409. On ignore tout de sa formation. Il a eu Hue de Boulogne comme élève.
Le duc de Bourgogne Philippe le Hardi, entré en possession du comté de Flandre en 1384, garda à son service Melchior Broederlam, qui avait été peintre et valet de chambre de Louis de Mâle, père de son épouse, la duchesse Marguerite de Flandre. Des comptes ducaux, on apprend qu'il fut payé pour peindre sur étendards, bannières, chaises, écussons, gonfanons et harnois de joute, les armoiries et la devise du duc, il fut aussi chargé de décorer un navire du duc et également des peintures religieuses notamment des retables.
A partir de 1387 il apparaît sur les registres comme « varlet de chambre » et à partir de 1391 comme peintre attitré de la cour de Bourgogne.
Son activité au service de ce dernier le conduit notamment à Lille, Hesdin où de 1389 à 1391, il exécute des peintures murales au pavillon de la « gloriette » et à la « galerie d'esbattements », Paris et Dijon. Broederlam fixe cependant son lieu de résidence habituel à Ypres. En 1407, il peint les portraits du duc et de son épouse sur les murs de la chapelle des Comtes à Courtrai. A la demande de Philippe le Hardi, il exécute la peinture des volets extérieurs et la polychromie intérieure d'au moins deux retables sculptés par Jacques de Baerze destinés à la chartreuse de Champmol.
Seul le retable de la "Crucifixion" (Dijon, M.B.A.) a conservé ses volets peints. Il représentent, à gauche, l'"Annonciation" et la "Visitation", et, à droite, la "Présentation au temple" et la "Fuite en Egypte". Ces panneaux constituent la seule œuvre du peintre qui nous soit parvenue. D'après les archives, Broederlam y travailla entre 1393 et 1399. Par rapport aux autres tableaux pré-eyckiens, les volets peints de Broederlam sont riches en innovations. Ils attestent un progrès sensible dans la technique (plus que ses contemporains, il varie ses liants - aqueux ou à base huileuse - pour mieux les approprier à l'effet recherché), dans la définition du modelé (plus riche et plus nuancé), dans la composition et enfin dans l'iconographie, dont Panofsky a pu mettre en évidence le caractère éminemment symbolique. Bien que les scènes se présentent sur un fond d'or, l'artiste parvient à créer un espace réel dans lequel se meuvent les personnages, sans négliger certaines règles de perspective. L'influence italienne, surtout siennoise, se manifeste dans la technique (choix du pigment jaune, et recours, dans les carnations, à une couche verdâtre sous-jacente), ainsi que dans la représentation des architectures, des montagnes et de la végétation.
Le nom de Broederlam, complètement oublié, fut redécouvert au début du XIXe siècle dans les archives de la chartreuse par C. Févret de Saint-Mémin, conservateur du musée de Dijon, qui réussit à acquérir les deux retables.
Volets du retable de la "Crucifixion" (Dijon, M.B.A.)