Estudió bachillerato en Yecla (Murcia) y fue a estudiar Derecho a Madrid, pero cambió los estudios por los de Historia. Militante tradicionalista en su juventud,^[1]​ presidió el círculo y la juventud jaimista de Yecla^[2]​ y en 1913 fue nombrado presidente de la Agrupación Escolar Tradicionalista de Madrid.^[3]​ Discípulo de Manuel Gómez-Moreno, de Antonio Vives y de Elías Tormo, fue catedrático de Arqueología, Numismática y Epigrafía en la Universidad de Valladolid desde el 11 de febrero de 1926.^[4]​

En 1934 organizó, con la ayuda de Elias Tormo y de Antonio Tovar, un crucero a las islas griegas, con alumnos de la Universidad para homenajear a El Greco en Fodele (Creta), donde llevaron una escultura de Mariano Benlliure. Este viaje fue continuación del crucero por el Mediterráneo que Gómez-Moreno había organizado, en 1933, con la Universidad de Madrid y con la Junta para Ampliación de Estudios, en el que participó Mergelina.^[5]​

Durante la guerra Civil estuvo comisionado por el gobierno de Madrid en la Junta de Incautación, Salvamento y Catalogación del Tesoro Artístico Nacional, presidida por el arquitecto Roberto Fernández Balbuena, y desempeñó el cargo de director del Museo Arqueológico Nacional de 1937 a 1939. Al terminar la guerra fue nombrado rector de la Universidad de Valladolid, cargo que ocupó hasta 1951, donde tiene un aula dedicada en la Facultad de Derecho.^[6]​

En 1952 concursa y gana la cátedra de Historia del Arte de Murcia donde creó el Seminario de Arqueología. En ese puesto se jubiló en 1960.^[7]​

Ocupó los cargos de Comisario Provincial de Excavaciones en Valladolid y en Murcia.

• El monte Arabí. El problema de las cazoletas, 1922
• La necrópolis tartesia de Antequera, 1922
• Fouilles de Bello (Bolonia, province de Cadix) (1917-1923) La ville et sus dépendances, 1923
• Focos dolménicos de la Laguna de la Janda, 1924
• De arquitectura mozárabe: la iglesia rupestre de Bobastro, 1924
• Fouilles de Bello (Bolonia, province de Cádiz (1917-1921). La neécropole, 1926
• El Santuario hispano de la Sierra de Murcia. Memoria de las excavaciones en el eremitorio de Ntra. Sra- de la Luz (1924-25), 1926
• La necrópolis hispano-romana de Baelo, 1927
• Bobastro. Memoria de las excavaciones realizadas en las Mesas de Villaverde. El Chorro (Málaga), 1927
• El seminario de Estudios de Arte y Arqueología 1933

• Noguera Celdrán, José Miguel (1999). Arquitectura de la Antigüedad tardía en la obra de C. de Mergelina: los mausoleos de La Alberca y Jumilla. EDITUM. ISBN 9788483710685. Consultado el 7 de enero de 2016. 
• Homenaje al profesor Cayetano de Mergelina. Universidad de Murcia. Facultad de Filosofía y Letras, 1962
• Mederos, Alfredo, "Cayetano de Mergelina, Catedrático de Arqueología y Director del Museo Arqueológico Nacional", Boletín del Seminario de Estudios de Arte y Arqueología (Univ. de Valladolid) 76, 2010, 179-212.

•   Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Cayetano de Mergelina y Luna.