Родился и вырос в семье художника и художественного критика Шарля-Оливье Мерсона. Первоначально обучался в Школе Дизайна (École de Dessin), затем продолжил изучение живописи под руководством Изидора Пильса в парижской Школе изящных искусств. Впервые выставил свою работу в Парижском салоне в 1866, а три года спустя за историческое полотно «Воин-марафонец» стал лауреатом Римской премии. Находясь в Италии, за пять лет работы написал ряд картин на религиозные и исторические темы.
Вернувшись во Францию, Мерсон в 1875 был удостоен первого приза и медали на выставке «Общества французских художников».
Популярность художника значительно возросла после присуждения ему Гран-при за картину, экспонировавшуюся на Всемирной выставке1889 года. В 1892 Мерсон был избран членом Французской Академии изящных искусств.
С 1906 по 1911 преподавал в парижской Школе изящных искусств. Воспитал ряд известных художников (в том числе Эжена Каделя и Уильяма Кендалла).
В 1891 году, в знак признания его вклада во французскую культуру, Люк-Оливье Мерсон был награждён орденом Почётного легиона, а в 1920 за большие заслуги перед Францией — Командорским орденом Почётного легиона (посмертно).
Умер в Париже в 1920 году.
Творчество
Помимо картин академического направления, Люк-Оливье Мерсон широко известен своими иллюстрациями и гравюрами. Одними из самых известных его работ в этом направлении стали иллюстрации к роману Виктора Гюго «Собор Парижской Богоматери» (1881). Созданные художником мистические, готические образы отражают влияние развивающегося движения символистов во Франции.
Мерсон сделал большой вклад в украшение и декорирование таких архитектурных сооружений Парижа, как Дворец правосудия, Музея Луи Пастера, украсил цветными витражами и монументальной мозаикой на тему «Благоговение Франции перед Сердцем Господним» Базилику Сакре-Кёр и др.
В 1900 Мерсон занимался разработкой эскизов почтовых марок для почтовых ведомств Франции и Монако, в том числе для Французской почты в Египте.
В 1908 он был приглашён руководством Государственного Банка Франции для создания проектов для некоторых банкнот и купюр страны, в том числе достоинством сто франков (выпускалась в 1910—1938) и пятьдесят франков (печаталась Банком Франции уже после смерти художника в 1927—1934 гг.).