Det ca. 145 ha store Melby Overdrev er et af Sjællands største hedeområder. Gennem mere end 120 år fungerede det som militært skydeterræn og har herved undgået nordkystens massive sommerhusbyggeri. Den militære udnyttelse ophørte i 2003, og i 2015 blev Melbylejren jævnet med jorden.
I dag fremstår Melby Overdrev som et hede- og klitlandskab. Klithedens planteliv domineres af hedelyng, revling og krybende pil, hvorimellem ses klokkelyng og tætte puder af rensdyrlav og andre laver. I fugtige sænkninger vokser mosepors, mosetroldurt og plettet gøgeurt. Hedemelbærris har et af sine få voksesteder uden for Jylland, og på hedelyng og revling kan man finde den meget sjældne snylteplante lyngsilke. Nikkende kobjælde blomstrer i foråret i tusindvis og får i løbet af året selskab af de tørkeelskende gul evighedsblomst, grå løvefod og kattefod samt bregnen alm. månerude.
Det tørre kystklima og helt specielle planteliv gør Melby Overdrev til en insektlokalitet i særklasse. Sommerfuglene gråbåndet bredpande og gulplettet bjørn har eksempelvis deres eneste sjællandske levested her. Dertil kommer sjældenheder som argusblåfugl, markperlemorsommerfugl og den spraglede birkespinder, som flyver i de små birkeskove. I klitområderne afslører larven af stor myreløve sig ved små tragte i sandet. Også den ellers ret sjældne hveps biulv, som lever af honningbier, er ret almindelig.
Mange fuglearter, der er et særsyn herhjemme, tiltrækkes af det åbne landskab med omliggende spredt bevoksning. Melby Overdrev er således ynglested for den sjældne vendehals samt bl.a. sortstrubet bynkefugl, hedelærke og natravn.
Melby Overdrev blev fredet i 1930. Derudover indgår det i habitatområdet Tisvilde Hegn og Melby Overdrev.
