Родился 7 января 1724 года в Линденберге под Виттенбергом. Начал службу в 1740 году пажом при Фридрихе Великом и находился при нём в сражениях при Мольвице и Хотузице.
Произведённый в 1743 году в прапорщики и назначенный затем флигель-адъютантом короля, Мёллендорф участвовал затем во 2-й Силезской и Семилетней войнах и отличился в последней смелой атакой под Лейтеном. За отличие в сражении при Гохкирхе Меллендорф был назначен командиром гвардейского полка. 3 ноября 1760 года сражении под Торгау Мёллендорф атаковал Сиптицерские высоты и был взят в плен, из которого был обменян в начале 1761 года
В 1762 году, командуя бригадой, полковник Мёллендорф взял приступом укреплённую позицию в деле при Буркерсдорфе и был произведён за это дело в генерал-майоры.
В 1774 году он получил чин генерал-лейтенанта. Во время войны за Баварское наследство Мёллендорф командовал корпусом в армии принца Генриха и удачно провёл экспедицию к Бауцену.
11 декабря 1782 года Мёллендорф был назначен губернатором Берлина и командующим всеми войсками столичного гарнизона. При воцарении Фридриха Вильгельма II он был произведён в генералы от инфантерии.
В 1791 году Мёллендорф выступил в качестве противника войны с Францией и впал в немилость, но в следующем году, с началом возмущений в Польше, он был произведён в генерал-фельдмаршалы и был назначен командующим войсками, расположенными на польской границе.
31 января 1794 года Мёллендорф получил главное командование прусской армией и разбил французов в сражении при Кайзерслаутерне. Превосходящие силы французов принудили его, однако, отступить за Рейн.
В кампании 1799-1800 годов адъютантом Мёллендорфа был Карл фон Гаке.
В кампании 1806 года, в сражении при Ауэрштедте Мёллендорф был тяжело ранен и при капитуляции Эрфурта был взят в плен. Однако Наполеон отпустил его, наградив при этом орденом Почётного легиона.
После этого Мёллендорф за ранами оставил военную службу и скончался 28 января 1816 года в Гавельберге.
