Née à Mulhouse, pianiste de formation et diplômée en musicologie, elle étudie le chant à Strasbourg. Après des débuts à l’Opéra du Rhin dans Boris Godounov, elle se produit rapidement avec des chefs tels que Jean-Claude Casadesus, Riccardo Chailly, James Conlon, Christoph von Dohnanyi, Charles Dutoit, Hans Graf, Theodor Guschlbauer, Neeme Järve, Armin Jordan, Emmanuel Krivine, Louis Langrée, Jan Latham-Koenig, Marc Minkowski, Jean-Yves Ossonce, Michel Plasson, Patrick Summers.

Elle aborde des rôles aussi différents que Vitellia de La Clemenza di Tito, Cléopâtre de Giulio Cesare de Haendel, la comtesse des Nozze di Figaro, Pamina dans Die Zauberflöte, Eurydice dans Orphée et Eurydice de Gluck, Rozenn dans Le Roi d’Ys de Lalo, Marguerite dans Faust de Gounod, Violetta de La Traviata, Amelia du Bal masqué, Micaela dans Carmen, Blanche de La Force dans Le Dialogue des Carmélites, Agathe dans le Freischütz, le rôle-titre de Die lustige Witwe, Elsa de Lohengrin, Antonia des Contes d’Hoffmann, Rosalinde de Die Fledermaus (festival de Salzbourg). Au festival d’Aix-en-Provence, elle a incarné Poppée dans L’Incoronazione di Poppea (mise en scène Klaus Michael Grüber), la gouvernante dans The Turn of the Screw de Britten, Donna Elvira dans Don Giovanni (mise en scène Peter Brook) et, l’été dernier, Violetta dans La Traviata (mise en scène Peter Mussbach).

Parallèlement, Mireille Delunsch mène une carrière de récitaliste. Parmi ses enregistrements, citons, outre de nombreuses mélodies, Hippolyte et Aricie de Rameau, Acis et Galatée de Lulli, Armide et Iphigénie en Tauride de Gluck sous la direction de Marc Minkowski, ainsi que Pelléas et Mélisande sous la direction de Jean-Claude Casadesus. Récemment, elle a incarné Mélisande à l’Opéra national de Paris, où elle chante actuellement Don Giovanni avant d’être la Maréchale (Der Rosenkavalier) à l’Opéra de Bordeaux (prise de rôle). En 2007, elle interpréte le rôle-titre de Louise de Gustave Charpentier à l’Opéra national de Paris. On se souvient de sa prestation dans Theodora de Haendel à l’Opéra national du Rhin en 2006.