Giovanissimo interprete di fotoromanzi per la rivista Grand Hotel, debuttò nel cinema nel 1963, come comparsa ne Il Gattopardo . Dopo altre parti in pellicole minori e nel teatro di rivista, iniziò la carriera nelle produzioni televisive in I grandi camaleonti (1964), pur continuando la recitazione teatrale (nel 1968 partecipa all'"Orlando furioso"). La grande notorietà tra il pubblico però giunge con la partecipazione come protagonista nello sceneggiato televisivo Il giovane Garibaldi (1974), in cui interpreta l'Eroe dei due mondi. Merli divenne negli anni settanta uno degli attori più noti del genere poliziottesco, con film come Roma violenta, Roma a mano armata, Napoli violenta, Il cinico, l'infame, il violento e Da Corleone a Brooklyn. Il suo esordio nel genere avvenne nel 1975, quando ottenne la parte del Commissario Betti in Roma violenta, Merli si fece crescere appositamente i baffi, che poi diverranno uno dei suoi "marchi di fabbrica". Il film fu un grandissimo successo commerciale, tanto da incassare oltre due miliardi di lire, ed essere il venticinquesimo incasso nella stagione cinematografica in Italia. Alto, biondo, atletico e baffuto, Merli interpretava personaggi di duri poliziotti in rivolta contro l'ingiustizia e il lassismo della legge e dei magistrati. Numerose scene acrobatiche e pericolose di alcuni film furono girate direttamente da lui senza avvalersi di controfigure. La sovrapposizione tra attore e personaggio portato sullo schermo fu, nel caso di Merli, tanto profonda da essere considerato il "commissario di ferro" per antonomasia. Molti saranno i suoi successi nella seconda metà degli anni settanta. Col finire degli anni settanta anche il genere poliziottesco entrò in crisi, e per Merli divenne difficile ritagliarsi altri spazi nel mondo del cinema italiano. L'ultima apparizione in un lungometraggio fu nel 1987, in Tango blu. Negli ultimi anni della sua carriera, ormai emarginato da una critica cinematografica ostile, aveva partecipato solo ad alcune trasmissioni televisive d'intrattenimento, tra cui una partecipazione al programma di Pippo Baudo Festival, e nell'agosto 1988, al programma di Marco Columbro Tra moglie e marito. Più rilevante lo spettacolo Crazy Boat in sei puntate estate del 1986. Nell'ultimo anno di vita fu ospite frequente del programma televisivo Il gioco dei 9 condotto e nel programma  Domani sposi dove si presentò con tutta la famiglia. Il 10 marzo 1989 a Roma, mentre stava giocando a tennis  con un amico, e sotto gli occhi della figlia, l'attore fu improvvisamente colto da un infarto: sia pur prontamente soccorso e trasportato all'ospedale vi giunse già privo di vita. È sepolto nel cimitero di Poggio Catino (Rieti).