Su debut en karting se produjo en 1999, con ocho años de edad. Desde entonces, su trayectoria en el mundo del karting, la cual se terminó en la primera curva, le llevó a conseguir victorias relevantes, tanto a nivel español, como internacional, entre las que se cuentan Campeonatos de España, las Winter Series o el prestigioso Trofeo de la Industria, celebrado en Italia. A estos, habría que añadir la 2.ª posición lograba en el Trofeo Andrea Margutti en el año 2005.

A finales del año 2006, disputa las Winter Series del Campeonato de Italia de Fórmula Renault 2.0 con It Loox Racing, finalizando en la 3.ª plaza de la general con tres podios.

En 2007, Merhi corre con el equipo suizo Jenzer Motorsport, un programa doble en la Eurocopa de Fórmula Renault 2.0, complementado con el italiano de la misma disciplina. El gran momento de la temporada, será su victoria en la selectiva pista de Spa-Francorchamps. Esta victoria, le convertirá en el piloto más joven en vencer en la historia de la Eurocopa de Fórmula Renault 2.0 italiana.^[4]​ Gracias a dos pódiums más, y varias posiciones en el top 5, el piloto español acabará en la clasificación general en la 4.ª plaza de la general.

En 2008, repite la Eurocopa de Fórmula Renault 2.0, pero cambiando el certamen italiano por la recién creada Fórmula Renault, que agrupaba a Francia, España y Portugal. Al volante de un coche de Epsilon Euskadi, terminó subcampeón de la Fórmula Renault y 4.º de la Eurocopa de Fórmula Renault 2.0. Además, se convertiría en el poleman y vencedor más joven en la historia de la Eurocopa de Fórmula Renault 2.0, tras su victoria en la pista germana de Nürburgring.^[5]​ Paralelamente, Merhi disputó tres meetings del Campeonato de España de F3 que se saldaron con una pole, dos victorias y un pódium. A esto habría que añadir sus participaciones con Hitech en el Masters de Zolder y el Gran Premio de Macao, siendo en esta última cita el mejor novato de la parrilla.

En septiembre de 2006, se produce su debut en monoplazas de Fórmula 3. Fue en Valencia, con motivo de la sexta cita del Campeonato de España de F3, a bordo de un Dallara F300 del equipo Porfesa Competición. Será su única participación en este campeonato durante esa temporada. En 2007, vuelve a realizar una aparición esporádica (Novo Team), marcando sus primeros puntos en el certamen. En 2008, estuvo presente en tres meetings: los dos primeros en el Circuito Urbano de Valencia, y en la prueba final en Barcelona. En el estreno del trazado levantino (Llusia Racing), marca el mejor tiempo en la primera sesión de libres, pero problemas de frenos le impedirán brillar durante el resto del fin de semana. En su segunda presencia con GTA Motor Competición, como carrera soporte del Gran Premio de Europa de Fórmula 1, finaliza en el podio (3.º) a pesar de tener dañada la caja de cambios.^[6]​ En su última aparición en el año con la Escudería TEC-Auto, en un fin de semana lluvioso en el Circuit de Catalunya, logró la pole y la victoria en las dos mangas, con un amplísimo margen del ventaja sobre sus rivales.^[7]​

En 2009, debuta en la F3 Euroseries de la mano del equipo Manor Motorsport,^[8]​ pasando a ser, además, integrante del programa de jóvenes talentos de Mercedes,^[9]​ en el que sigue a día de hoy. Tras un debut con sendas segundas posiciones en los dos primeros meetings del año, una sanción en la arrancada de la primera manga en Zandvoort le hace perder comba en la lucha por el liderato. En la cuarta cita vuelve al cajón, con un tercer puesto (Oschersleben), pero entonces sufre un bajón de resultados en la parte central del campeonato, experimentando problemas de puesta a punto en su monoplaza. En las dos pruebas finales del año, Dijon y Hockenheim, piloto y equipo recuperan el nivel de competitividad, subiendo al segundo escalón de podio en la prueba francesa, y liderando la última manga del año bajo la lluvia, hasta que una avería obliga a Merhi retirarse a pocas vueltas del final.

Al año siguiente, en las filas de Mücke Motorsport, logra su primera victoria en la categoría (Hockenheim),^[10]​ pero se ve impotente para frenar la superioridad técnica de Signature-Volkswagen. Luchó hasta la última cita del calendario con Valtteri Bottas (ART-Mercedes), por ser el mejor coche del certamen no equipado con motor Volkswagen.

2011, fue el año de su definitiva eclosión. Encuadrado en el equipo italiano Prema Powerteam, Merhi se entendió a la perfección con su escuadra y con su ingeniero, y obtuvo un triunfo tras otro hasta alzarse con el título con un extenso margen de puntos y once victorias en el bolsillo.^[11]​ En dos ocasiones estuvo cerca de lograr el pleno de tres victorias sobre tres en un solo fin de semana, especialmente en Hockenheim, donde fue primero en la manga 1 y 3, y segundo en la 2. Además, fue capaz de proclamarse campeón en la penúltima carrera, disputada en la comunidad valenciana, de donde es natural.

Además, Roberto Merhi ha disputado en cuatro ocasiones el prestigioso Gran Premio de Macao.

En 2010, Merhi compitió en las GP3 Series, debutando en la tercera cita, celebrada en Valencia, con el equipo Atech Grand Prix. Ese mismo fin de semana, obtendría los dos primeros podios del equipo inglés en la disciplina gracias a un 2.º y un 3.º puesto. En Spa-Francorchamps, tras liderar la primera manga con un amplio margen de ventaja, se vería penalizado por un fallo de su equipo en el cambio de neumáticos que le costaría la victoria, tras perder más de medio minuto en boxes. Aun así, terminaría segundo la carrera. Al final de temporada, se clasificaba en la sexta posición de la general sin haber disputado el campeonato completo.

En 2012, disputó la temporada 2012 de Deutsche Tourenwagen Masters, con un Mercedes-Benz de Persson Motorsport. Finalizó el campeonato en 21.ª posición sin haber logrado un punto. En 2013, pasó al equipo oficial HWA. Logró un segundo puesto en la carrera final en Hockenheim, un séptimo en el circuito urbano de Norisring y dos décimos lugares, por lo que acabó 15.º en el campeonato.

Disputó la World Series by Renault en 2014 con el equipo Zeta Corse. Logró tres victorias, tres segundos puestos y nueve top 5 en 17 carreras, luchando por el campeonato hasta la penúltima carrera de la temporada, donde tras un choque de un rival tuvo que abandonar, por lo que se ubicó tercero en el campeonato luego de Carlos Sainz Jr. y el francés Pierre Gasly. En el 2015 vuelve a repetir de categoría, cambiando de equipo a Pons Racing.^[12]​

El 5 de septiembre de 2014, participa por primera vez en Fórmula 1, en el circuito de Monza, a los mandos de un Caterham, para realizar los entrenamientos libres.

Merhi ingresó al equipo Manor Marussia F1 Team para la temporada 2015. Debutó en el Gran Premio de Malasia, la segunda carrera del año, ya que el equipo no pudo presentarse en la primera, donde terminó 15.º. En el Gran Premio de Gran Bretaña, consiguió acabar 12.º; el mejor resultado del español en Fórmula 1. En el cierre de año, Merhi fue remplazado en ocasiones por el estadounidense Alexander Rossi.^[13]​

Para el año 2019, Merhi desveló que estaba trabajando con un equipo de F1 como piloto de desarrollo, pero su contrato le impedía revelar con qué escudería estaba trabajando. Merhi continuó trabajando como piloto de desarrollo para 2020^[14]​^[15]​^[16]​

Tras su paso por la Fórmula 1, incursiona en las carreras de resistencia, en el Campeonato Mundial de Resistencia 2016 (LMP2).^[1]​

En 2019 firma con el equipo Eurasia Motorsport para participar en la categoría LMP2 (máxima categoría de la competición asiática) de la temporada 2019-20 de la Asian Le Mans Series.^[17]​^[18]​ En la primera carrera de la temporada, las 4 Horas de Shanghái, el coche número 36 compartido por los australianos Nick Foster, Aidan Read y el propio Roberto, consigue la pole position para la carrera del domingo en la que logran acabar en el segundo cajón del podio.^[19]​^[20]​

En 2020 corrió las 24 Horas de Le Mans, como lo había hecho en 2016, con Eurasia, finalizando 14.º en la categoría.^[1]​

Debutó en Fórmula 2 en la segunda ronda del campeonato 2017, con Campos. Volvió en la segunda mitad del año con Rapax, logrando varios puntos.^[21]​

En 2018 fue contratado por MP Motorsport.^[22]​ Subió en dos oportunidades al podio, en Mónaco y en Francia, aunque en esta última fue descalificado por la presión en las ruedas.^[23]​ Fue despedido luego de la fecha en Hungría por el equipo neerlandés, y contratado nuevamente por Campos Racing para disputar las dos últimas fechas del campeonato,^[24]​ despidiéndose de la Fórmula 2 con un podio en la cita final de Abu Dabi.^[25]​

En 2022, Merhi anunció su regreso a la Fórmula 2 de la mano de Campos Racing, sustituyendo a Ralph Boschung en la ronda de Spielberg.^[26]​ Logró un podio ascendiendo desde la 21.ª posición hasta la 2.ª en la carrera principal en condiciones de pista cambiantes, finalmente tras una sanción de cinco segundos por límites de pista acabaría 3.º.^[27]​

En 2021, Merhi compitió en el campeonato australiano de monoplazas S5000 Tasman Series, corriendo para el Team BRM. Consiguió 3 podios, uno de ellos una victoria, proclamándose así subcampeón.^[28]​^[29]​

En 2022 y 2023, Roberto Merhi compite en el Super GT Japonés para el equipo LeMans con un Audi R8 LMS GT3 junto a los pilotos Yoshiaki Katayama y Shintaro Kawabata, debutando en la segunda cita del campeonato en Fuji^[30]​

El 17 de abril de 2023, se confirmó su participación en los test de jóvenes pilotos de la Fórmula E en el e-Prix de Berlín con Mahindra Racing, compartiendo asiento con el piloto británico Jordan King.

• ^† Era piloto invitado, por lo que no sumó puntos.

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• Sitio web oficial (en español e inglés)