Na początku czerwca 2013 roku Mladenovic w parze z Danielem Nestorem osiągnęła finał wielkoszlemowego French Open w grze mieszanej. W decydującym spotkaniu zawodnicy musieli uznać wyższość Lucie Hradeckiej i Františka Čermáka, z którymi przegrali 6:1, 4:6, 6–10. Miesiąc później mikst triumfował na kortach Wimbledonu. W meczu mistrzowskim pokonali najwyżej rozstawionych Lisę Raymond i Bruno Soaresa 5:7, 6:2, 8:6. W styczniu 2014 mikst odniósł zwycięstwo w zawodach w Melbourne. W spotkaniu decydującym o wygranej pokonali Sanię Mirzę i Horię Tecău 6:3, 6:2. Rok później obrońcy tytułu z Australii ponownie awansowali do finału, tym razem przegrywając w nim 4:6, 3:6 z Martiną Hingis i Leanderem Paesem. W 2022 roku Francuzka oraz Ivan Dodig triumfowali w rozgrywkach mikstowych w Australian Open, pokonując w meczu finałowym Jaimee Fourlis i Jasona Kublera 6:3, 6:4.
Najlepszymi wynikami Mladenovic w turniejach zaliczanych do Wielkiego Szlema były ćwierćfinał US Open 2015 i French Open 2017 w grze pojedynczej, zwycięstwo we French Open w 2016, 2019, 2020 i 2022 roku oraz w Australian Open w 2018 i 2020 roku w grze podwójnej, a także zwycięstwo na Wimbledonie 2013 i Australian Open w 2014 i 2022 roku w grze mieszanej.