Poysden och Mellor, båda 25, har åtagit sig att björnarna fram till åtminstone slutet av 2018 säsongen efter fem Championship matcher varje i sommar.
Warwickshires verkställande direktör Neil Snowball sade: " Josh och Alex har en stor framtid här på Edgbaston.
"De spelade viktiga roller 2016 och visade att de kan konkurrera på högsta nivå i det inhemska spelet."
Poysden, som redan var knuten till Edgbaston till slutet av 2017, har arbetat med England Lions på National Cricket Centre i Loughborough i höst och är för närvarande med Lions trupp på sitt träningsläger i Dubai.
Han har gjort 16 en dag och 19 T20 framträdanden för björnarna sedan initialt gå på rättegång efter att ha lämnat Cambridge University före 2014 säsongen.
Han gjorde också ett genombrott i länsmästerskapet i sommar, med 15 wickets i sina fem framträdanden, inklusive en karriär-bästa 5-53 mot mästare Middlesex på Edgbaston.
Tidigare Staffordshire spelare Mellor, som först gick med i Bears i slutet av 2015 säsongen på en ettårig affär, har nu tecknat ett nytt tvåårigt kontrakt.
Mellor, vars sensäsong Championship framträdanden kom som skydd för den skadade Tim Ambrose, har också spelat tre limited-overs spel.
Warwickshire är fortfarande utan en chef för cricket efter avgång Dougie Brown i oktober.
De har starkt förknippats med en återkomst till Edgbaston för före detta Bears boss Ashley Giles, som fortfarande är kontrakterad till hans nuvarande län Lancashire för ett år till.
BBC Sport förstår att förhandlingarna fortsätter med Lancashire om Giles, som fortfarande bor i Midlands.
Chefsdirektör Neil Snowball upprepade förra veckan att de skulle vilja boka tid före jul.
Warwickshire Benspinner Josh Poysden och Wicketkeeper Alex Mellor har undertecknat kontraktsförlängningar.