Γεννήθηκε στο χωριό Αγία Κυριακή της Γιάλοβας Αιγιαλού στη Μικρά Ασία το 1912 και ήταν το μοναδικό αγόρι από τα πέντε παιδιά του Γρηγόρη Μπαλάσογλου (που με την εγκατάσταση του στην Ελλάδα έγινε Βαλασιάδης) και της Δόμνας Τσουφλίδη. Το λογοτεχνικό του ψευδώνυμο το εμπνεύστηκε απ’ τον ποταμό Λουδία της μετέπειτα πατρίδας του. Πρωτοεμφανίστηκε στα ελληνικά γράμματα σε πολύ νεαρή ηλικία, δημοσιεύοντας ποιητικές συλλογές στην «Αγροτική Ιδέα» της Έδεσσας το 1927 και το 1928, τις οποίες υπέγραφε με το πραγματικό του όνομα (Δημήτριος Βαλασιάδης). Γύρω στο 1930 δημοσιεύει ποιήματα και διηγήματα του στο περιοδικό «Νέα Εστία». Η πρώτη φορά που χρησιμοποίησε το ψευδώνυμο του ήταν το 1934 στο διήγημα «Μια νύχτα με πολλά φώτα κάτω από μια πόλη με πολλά αστέρια». Τιμήθηκε με το Κρατικό Βραβείο Πεζογραφίας το 1938 για τη συλλογή διηγημάτων του. Τα πλοία δεν άραξαν και με τη Χρυσή Δάφνη Πανευρώπης στο Παρίσι το 1951. Επίσης τιμήθηκε και με το βραβείο «Μενέλαου Λουντέμη» που το καθιέρωσε προς τιμήν του η Ελληνική Εταιρία Λογοτεχνών και απονέμεται κάθε χρόνο στο καλύτερο πεζογράφημα του προηγούμενου έτους.
Προς τιμήν του, στο Βουκουρέστι δόθηκε το όνομα του σε δημόσιο κτίριο (Λουντέμειο Μέγαρο). Σύμφωνα με τον Βασίλη Βασιλικό, «θεωρείται ο πιο πολυδιαβασμένος Έλληνας έπειτα από τον Νίκο Καζαντζάκη».
Πρόσφυγας από την Αγία Κυριακή της Γιάλοβας (Αιγιαλός) της Μικράς Ασίας μετά τον Μεγάλο Ξεριζωμό της Μικρασιατικής Καταστροφής, εγκαθίσταται με την οικογένεια του πρώτα στην Αίγινα, μετά στην Έδεσσα και τελικά στο χωριό Εξαπλάτανος της Πέλλας, στο οποίο έζησε από το 1923 μέχρι το 1932 που έφυγε για την Κοζάνη. Έζησε για λίγο στο κρατικό οικοτροφείο της Έδεσσας. Η οικογένεια του ήταν εύπορη, αλλά χρεοκόπησε κατά τη Μικρασιατική Καταστροφή και ο Λουντέμης αναγκάστηκε να εργαστεί σκληρά στην εφηβεία του ως λαντζιέρης, λούστρος, ψάλτης, δάσκαλος σε χωριά της Αλμωπίας, ακόμη και ως επιστάτης στα υπό κατασκευή την εποχή εκείνη, έργα του Γαλλικού ποταμού. Στην Δ΄ τάξη του – εξατάξιου τότε – Γυμνασίου «αποσύρθηκε» για πολιτικούς λόγους και απεβλήθη απ’ όλα τα Γυμνάσια της χώρας. (Η στράτευσή του στην Αριστερά και η πολιτική δράση μέσα από τις γραμμές του ΚΚΕ του στοίχισε την αποβολή του απ’ όλα τα γυμνάσια της χώρας.)
Μέσα από συνεχείς μετακινήσεις, από την Έδεσσα σε ένα οικοτροφείο της Κοζάνης κι από εκεί στο Βόλο, ακολουθώντας κάποιο περιφερόμενο «μπουλούκι» της εποχής, φτάνει τελικά στην Αθήνα και συνδέεται στενά με τους Κώστα Βάρναλη, Άγγελο Σικελιανό και Μιλτιάδη Μαλακάση. Ο τελευταίος θα τον βοηθήσει να διοριστεί βιβλιοθηκάριος της «Αθηναϊκής Λέσχης» το 1938 και να ανασάνει κάπως οικονομικά. Την ίδια εποχή, η φιλία του με τον καθηγητή της Φιλοσοφικής Νικόλαο Βέη, θα τον βοηθήσει να παρακολουθήσει ως ακροατής μαθήματα στη Φιλοσοφική Σχολή των Αθηνών. Θα ακολουθήσουν αρκετές συγγραφικές επιτυχίες και θα γίνει μέλος της Eταιρίας Eλλήνων Λογοτεχνών, με πρόεδρο τότε τον Nίκο Kαζαντζάκη.
Στην κατοχή πήρε ενεργό μέρος στην Εθνική Αντίσταση στο πλευρό του ΕΑΜ και διετέλεσε γραμματέας της οργάνωσης διανοουμένων. Κατά τον εμφύλιο συλλαμβάνεται και δικάζεται για εσχάτη προδοσία και καταδικάζεται σε θάνατο – ποινή που δεν εκτελέστηκε ποτέ. Αντ’ αυτού, εξορίζεται σε στρατόπεδα συγκέντρωσης στη Μακρόνησο και στον Άι Στράτη, μαζί με τον Θεοδωράκη, τον Ρίτσο, τον Κατράκη, τον Θέμο Κορνάρο και πολλούς άλλους.
Το 1956 τον μετέφεραν στην Αθήνα από τον τόπο εξορίας του για να δικαστεί, επειδή, σύμφωνα με το κατηγορητήριο, στο βιβλίο του «Βουρκωμένες μέρες» αναφέρονται «….προπαρασκευαστικές πράξεις εσχάτης προδοσίας….». Στη δίκη που έγινε με τον εμφυλιοπολεμικό νόμο 509/47, οι μάρτυρες υποστήριξαν ότι το βιβλίο του «προπαγανδίζει τας πολιτικάς του ιδέας, θίγει την έννοια του κράτους, κλονίζει την εμπιστοσύνη του λαού στη Δικαιοσύνη, καλλιεργεί το μίσος».
Επιφανείς πνευματικές προσωπικότητες έσπευσαν να τον υπερασπιστούν (Άγις Θέρος, Γιώργος Θεοτοκάς, Κώστας Βάρναλης, Στράτης Δούκας, Ασημάκης Πανσέληνος, Κώστας Κοτζιάς), υποστηρίζοντας ότι το βιβλίο του «είναι ένα εξαιρετικό έργο, γεμάτο αγάπη για τον άνθρωπο και πίστη στην πορεία του προς το μέλλον». Απολογούμενος, ο Λουντέμης δέχτηκε παρέμβαση του προέδρου, ο οποίος του είπε πως «αν πράγματι νιώθεις στοργή για το παιδί και τη γυναίκα σου, θα ‘πρεπε να ‘χεις κάνει δήλωση αποκήρυξης του ΚΚΕ». Και η απάντηση του Λουντέμη: «Χρειάστηκαν εκατομμύρια χρόνια για να γίνουν τα τέσσερα πόδια δύο. Δεν θα τα κάνω πάλι τέσσερα εγώ».
Μετά τη δίκη και την απαγόρευση κυκλοφορίας των βιβλίων του, το κλίμα είναι βαρύ για τον Λουντέμη. Εκπατρίζεται στο Βουκουρέστι και χάνει την ελληνική ιθαγένεια από τη δικτατορία του Παπαδόπουλου. Στη Ρουμανία συνεχίζει το συγγραφικό του έργο, αλλά νοσταλγεί πάντα την πατρίδα, «ένα ελληνικό καφεδάκι…μιά ρετσίαν..», έγραφε σ’ ένα φίλο του. Μετά την μεταπολίτευση ανακτά την ελληνική ιθαγένεια και επιστρέφει στην Ελλάδα το 1976. Δεν πρόλαβε να χαρεί για την επάνοδό του και στις 22 Ιανουαρίου 1977 πεθαίνει από καρδιακή προσβολή και ενταφιάζεται στο Α’ Νεκροταφείο Αθηνών.
Ο Μενέλαος Λουντέμης ανήκει στους έλληνες λογοτέχνες του μεσοπολέμου που στράφηκαν προς τον κοινωνικό ρεαλισμό. Η ιδιοτυπία του έργου του έγκειται στον «ερασιτεχνικό» τρόπο γραφής, τον οποίο υπηρέτησε εν πλήρει συνειδήσει, καθώς ο ίδιος υποστήριζε πως δε τον ενδιαφέρει η Τέχνη, αλλά η καταγραφή της πραγματικότητας και η κατάδειξη της κοινωνικής ανισότητας. Το έργο του εντάσσεται στο ρεύμα του σοσιαλιστικού ρεαλισμού (Κνουτ Χάμσουν, Μαξίμ Γκόργκι, Παναΐτ Ιστράτι κ.ά.): ρεαλιστική απεικόνιση τοπίων και προσώπων με έντονη αισθηματολογία, που αγγίζει κάποτε το μελοδραματισμό, βιωματική γραφή, ηθογραφικά και συμβολικά στοιχεία.
Στη λογοτεχνία του Λουντέμη δεσπόζει η τάση του να στρέφεται εξ’ ολοκλήρου γύρω από ένα κεντρικό πρόσωπο – αφηγητή, που ανήκει στους περιθωριακούς τύπους των καταπιεσμένων κοινωνικά στρωμάτων και το οποίο μας δίνει την προσωπική του οπτική της μοναξιάς, του ανεκπλήρωτου του έρωτα και της δυστυχίας του κόσμου. Μέρος της κριτικής (Ζήρας) του καταλογίζει τεχνικές και εκφραστικές ατέλειες, στρατευμένο ύφος που αποβαίνει σε βάρος της οικονομίας της, αφήγησης, αλλά αναγνωρίζει τον λυρικό του οίστρο. Κάποιοι άλλοι θεωρούν το έργο του απολύτως ξεπερασμένο σήμερα, καθώς αναφέρεται σ’ ένα κόσμο που δεν υπάρχει πια.
Ποιήματα του Λουντέμη μελοποίησαν οι αδερφοί Κατσιμίχα («Ερωτικό Κάλεσμα») και ο συνθέτης Σπύρος Σαμοίλης («Οι κερασιές θ’ ανθίσουνε και φέτος») με ερμηνευτή τον Αντώνη Καλογιάννη.