Su padre, el jurista Fernando Cano, lo envió a estudiar a la Universidad de Salamanca, donde fue alumno de Francisco de Vitoria y profesó en el Convento de San Esteban de los dominicos de dicha ciudad en 1524. En 1531 fue enviado al Colegio de San Gregorio en Valladolid donde estudió con Bartolomé de Carranza y con Fray Luis de Granada. En 1536 obtuvo la cátedra de Teología en San Gregorio; en 1543 consigue la cátedra de teología en Alcalá, hecho singular por ser un dominico de orientación tomista cuando la universidad complutense era el baluarte del erasmismo;^[2]​ y a la muerte de Francisco de Vitoria, la de Salamanca en 1546.

Participó en la primera fase de la Junta de Valladolid (1550) que intentaba resolver la polémica de los naturales o de los justos títulos entre Juan Ginés de Sepúlveda y Bartolomé de las Casas. Carlos I lo envió al concilio de Trento en 1551, donde se hizo notar como impugnador de las posturas teológicas de los jesuitas. El 12 de septiembre de 1552 fue promovido por Carlos I a obispo de Canarias, cargo del que dimitió para ser rector del colegio de San Gregorio en Valladolid (1554).^[3]​

En 1556 escribió su famosa Consultatio theologica, en el que aconsejó al rey Felipe II que resistiera las pretensiones temporales del papado y como monarca absoluto defendiera sus derechos a la administración de las rentas y bienes de la iglesia española, con lo que haría al estado menos dependiente de Roma. Esto le valió ser llamado "hijo de la perdición" por parte del papa Paulo IV. Poco tiempo después fue detenido por la Inquisición el arzobispo de Toledo Bartolomé de Carranza y Felipe II aprovechó para quedarse con las pingües rentas vacantes de Toledo mientras se dirimía el caso. En 1557 fue nombrado provincial de su orden. Fue profesor de fray Luis de León.

Su obra más importante es De Locis Theologicis (Salamanca, 1563), en la cual estableció las diez fuentes para la demostración teológica: la Sagrada Escritura, la Tradición Apostólica, la autoridad de la Iglesia católica, la autoridad de los Concilios ecuménicos, la autoridad del sumo pontífice, la doctrina de los Padres de la Iglesia, la doctrina de los doctores escolásticos y canonistas, la verdad racional humana, la doctrina de los filósofos y la historia. De este modo, introduce en la Teología católica los Loci Theologici.

También destacó en la literatura en lengua vulgar castellana, escribiendo una amplia y personal traducción de la Opera utilissima de la cognizione et vittoria di sé stesso (Venecia, 1531) de Giovanni Battista da Crema refundida por el canónigo lateranense Serafino Aceti da Fermo, con el título de Trattato per la vita cristiana utilissimo della cognitione e vittoria di se stesso (1538), su Tratado de la victoria de sí mismo (Toledo: Juan de Ayala, 1551), que toma por estructura de exposición la de los siete pecados capitales. Su sobrino, el franciscano fray Antonio Delgado Torre y Neyra, del convento de Ocaña, hizo una segunda edición que alteró con la excusa de "continuar y extender la obra" de su tío, sin advertir, acaso interesadamente, que la había dejado completa (Madrid: Tomás Junti, 1595); más tarde se hicieron otras más cuidadas (Madrid, 1780 y Barcelona, imprenta de Pablo Riera, 1860).

• Melchor Cano en la Biblioteca Virtual de Polígrafos de la Fundación Ignacio Larramendi.
• David Amado, "'De Locis Theologicis', de Melchor Cano, traducido del latín"
• Retrato de Melchor Cano con un epítome sobre su vida incluido en el libro Retratos de Españoles ilustres, publicado en el año de 1791.