Az akkor még francia gyarmat algériai Tebesza városában született 1908. augusztus 29-én (egyes források szerint 28-án). Családja a francia betelepítési politika következtében került Észak-Afrikába, ahol – mint ő maga mesélte – „poétikus gyerekkora” volt, a két nép, két kultúra akkor még békésen élt egymás mellett. Apja katonatiszt volt, a család gyakran költözött, attól függően, hogy épp melyik városba vezényelték. 1915-ben visszarendelték Franciaországba, ahol egy év múlva meghalt. A család Párizsba költözött, ahol – noha szerény körülmények közt éltek – a három gyerek a legjobb iskolákba járt.
Merle a kitűnő érettségi után a Sorbonne-on filozófiát tanult, majd angoltanári képesítést akart szerezni, amihez egy évet angol nyelvterületen kellett töltenie. Így került az amerikai Clevelandbe, ahol középiskolai tanár volt. Hazatérése után úgy döntött, hogy egyetemi tanár szeretne lenni, ehhez azonban terjedelmes disszertációt kellett írnia, Oscar Wilde-ot választotta témául. 1934-től különböző középiskolákban vállalt tanári állást; Marseille-ben, Bordeaux-ban és Neuillyben.
A második világháború kitörésekor behívták katonai szolgálatra, és nyelvtudása miatt az angol expedíciós hadtesthez osztották be összekötőnek. 1940 májusában részt vett a dunkerque-i csatában, fogságba esett, és három évet töltött el különböző börtönökben és hadifogolytáborokban. Hazatérése után elvált a feleségétől, Párizsba költözött, tanított, és folytatta disszertációját, nem mellesleg közben háborús élményeiből megírta a Két nap az élet című regényét. A műért, amely a hadsereg pusztulását, a katonák magukra hagyatottságát ábrázolta szuggesztíven, 1949-ben elnyerte a Goncourt-díjat. A regényből 1964-ben film is készült Jean-Paul Belmondo főszereplésével.
1948-ban Merle sikeresen megvédte disszertációját, és ezt követően francia és algériai egyetemeken, Rennes-ben, Toulouse-ban és Algírban angol irodalmat tanított. Az '50-es években ébredt fel benne a pszichológiai elemzés iránti érdeklődés, és megírta a Mesterségem a halál című könyvét, amelyet részben Gustave Gilbert A diktatúra pszichológiája című műve ihletett. A mű az auschwitzi tábor igazgatójának, Rudolf Hössnek (a könyvben Rudolf Lang) fiktív önéletrajza, amelyben Merle kísérletet tesz arra, hogy bemutassa a nemzetiszocialista rendszer működtetőinek mozgatórugóit. A mű fogadtatása meglehetősen vegyes volt, csak a '60-as évek végén és a '70-es évek elején vált a koncentrációs táborokról szóló irodalom egyik klasszikusává, és maga a szerző is ezt a művét tartotta a legtöbbre.
Merle későbbi regényeiben is a háború, az erőszak és a tömegtéboly eredőit és hatásait igyekszik bemutatni, könyvei sikerének titka, hogy nagy felelősségtudattal alkalmazott társadalomkritikáját izgalmas, fordulatos meseszövéssel párosítja. Híres regénye A sziget, amely a Bounty matrózai lázadásának kapcsán a faji előítéletek és az erőszak kérdéseit elemzi. 1962-ben az Express hetilap felkérésére Kubába utazott, hogy tudósítson az ország új, forradalom utáni berendezkedéséről, akkor találkozott Fidel Castróval is. Ebből a látogatásból született meg a Moncada című dokumentarista stílusú regénye, amely azonban nem aratott sikert.
1965-től a párizs–nanterre-i egyetem professzora volt, és ebben az időben írói pályáján új korszakot nyitott életművében, a politikus-fantasztikus regényekét. Ennek első darabja az Állati elmék című regénye volt, amelyet az esztelen fegyverkezéssel szembeszálló humánum ihletett. A műből A delfin napja címmel készült 1973-ban amerikai film Mike Nichols rendezésében. A politikus sci-fik sorába tartozik a Malevil is, amely az atomháború túlélőinek küzdelmét ábrázolja, némileg megjósolva a csernobili katasztrófát, valamint a Védett férfiak című regénye is. 1975-ben jelent meg a lét értelmetlenségéről szóló és az életműből kicsit ki is lógó Madrapur, amely egy távolsági repülőgépen összezárt társaság feszültségeit jeleníti meg.
1969-ben Merle hátat fordított az egyetemnek, főállású író lett. 1970-ben jelent meg az Üvegfal mögött című regénye, amely az 1968-as párizsi diáklázadásokat örökíti meg.
A hetvenes évek elején belépett a kommunista pártba, ám a Szovjetunió 1979-es afganisztáni bevonulása után elhatárolódott a szervezettől.
1976-ban hozzáfogott régóta tervezett történelmi regénysorozata első kötetéhez, a Francia históriához, amely egy 16-18. századi francia család történetéről szól. A sorozat tizenhárom kötetből áll, Merle szinte szó szerint a haláláig írta. Közben jelentek meg más könyvei is, mint a Nekünk nem kel fel a Nap vagy a Majomábécé.
A regények mellett több drámát és esszét is írt, fő színpadi műve a Sziszifusz és a Halál.
A Magyarországon igen népszerű írónál 2000-ben leukémiát diagnosztizáltak, és bár betegségéből felépült, 2001-ben a Budapesti Nemzetközi Könyvfesztiválra, amelynek díszvendége lett volna, már nem tudott eljönni.
Robert Merle 2004. március 27-én éjjel La Malmaison-i otthonában szívrohamban halt meg.
Bátor társadalomkritikája, nem lankadó felelősségtudata, szerencsés témaválasztása, fordulatos, gazdag meseszövése világszerte megbecsült íróvá avatta. Könyvei egyszerre igényesen megírt és szórakoztató alkotások.
