Au cours de sa longue carrière théâtrale, Serge Merlin a joué dans La Puissance et la gloire de Graham Greene, mise en scène André Clavé (Théâtre de l’Oeuvre, Paris, 1952), Christophe Colomb de Paul Claudel, mise en scène Jean-Louis Barrault (Théâtre Marigny, Paris, 1952), Le Christ recrucifié de Nikos Kazantzakis, mise en scène Marcelle Tassencourt, (Théâtre Montansier, Versailles, 1961-Théâtre de l’Odéon, Paris,1962), Faust de Christopher Marlowe, mise en scène Jean-Louis Andrieux (Théâtre Edouard VII, Paris, 1966).
Il a joué sous la direction de Matthias Langhoff et Manfred Karge dans Frédéric prince de Hombourg de Heinrich von Kleist (Théâtre national populaire de Villeurbanne, Festival d’Avignon, 1984), Le Roi Lear de William Shakespeare (Théâtre national de Strasbourg, 1986; MC93 Bobigny,1987), La Dernière bande de Samuel Beckett (MC93 Bobigny, 1987), La Mission de Heiner Müller (Festival d’Avignon, Théâtre de la Ville, Paris, 1989).
André Engel lui confie des rôles dans plusieurs pièces de Thomas Bernhard - Le Réformateur (Théâtre des Abbesses, Paris, 2000), La Force de l’habitude (Théâtre Vidy-Lausanne; MC93 Bobigny, 1997) mais aussi dans Le Baladin du monde occidental de John Millington Synge (Odéon-Théâtre de l’Europe, 1995) et Woyzeck de Georg Büchner (Théâtre de Gennevilliers-Centre dramatique national, 1998).
Hans-Peter Cloos l’a dirigé dans Lulu de Frank Wedekind Cloos (Comédie de Saint-Étienne-Centre dramatique national, Théâtre de Chaillot, Paris, 1997). Patrice Chéreau l’a fait jouer dans Les Paravents de Jean Genet (Théâtre Nanterre-Amandiers,1983); Bernard Sobel dans La Forêt d’Alexandre Ostrowsky (Théâtre de Gennevilliers – Centre dramatique national,1989); Michel Deutsch dans Sit Venia Verbo de Michel Deutsch et Philippe Lacoue-Labarthe (Maison de la Culture de Grenoble, Théâtre national de la Colline, 1989); Jacques Rosner dans Simplement compliqué de Thomas Bernhard (Théâtre Daniel Sorano, Toulouse; Théâtre des treize vents-Centre dramatique national, Montpellier, 1996); Luc Bondy dans En attendant Godot de Samuel Beckett (Odéon-Théâtre de l’Europe, 1999); Franck Hoffman dans Dans la solitude des champs de coton de Bernard-Marie Koltès (Théâtre national du Luxembourg, 2003) et Gerold Schumann dans Minetti de Thomas Bernhard (Théâtre de l’Athénée-Louis-Jouvet, Paris, 2009).
Il interprètera une nouvelle fois Le Roi Lear de William Shakespeare mais cette fois dans une mise en scène de Christian Schiaretti (Théâtre national populaire de Villeurbanne; Théâtre de la Ville, Paris, 2013). Sa collaboration avec le metteur en scène Alain Françon débute avec Fin de partie de Samuel Beckett (Théâtre de la Madeleine, Paris, 2011; Odéon-Théâtre de l’Europe, 2013) puis viendra Le Réformateur et Extinction de Thomas Bernhard (Théâtre de l’Œuvre, Paris, 2015).

Au cinéma, depuis 1961, Serge Merlin a tenu des rôles dans une douzaine de films, parmi lesquels Danton d’Andrzej Wajda (1980), Les intermittences du cœur de Fabio Carpi et dans Le Fabuleux destin d’Amélie Poulain de Jean-Pierre Jeunet, qui l’avait déjà dirigé dans La Cité des enfants perdus (1995).