Thorsten Merten wurde 1963 im thüringischen Ruhla bei Eisenach geboren. Nachdem er zunächst eine journalistische Laufbahn angestrebt hatte, für die ihm aber das Studium aufgrund einer satirischen Kabarettaufführung von den DDR-Behörden verweigert wurde, begann er eine Schauspielausbildung an der Berliner Hochschule für Schauspielkunst "Ernst Busch", die er 1990 mit dem Diplom abschloss. Es folgten Engagements an Theaterbühnen im In- und Ausland, bei den Ruhrfestspielen Recklinghausen, am Théâtre Vidy Lausanne und am Mecklenburgischen Staatstheater Schwerin, wo er von 1992 bis 1994 Ensemblemitglied wurde (sowie erneut von 1999-2003).

Seinen ersten Auftritt auf der Kinoleinwand hatte Merten in Andreas Dresens Spielfilm-Debüt "Stilles Land" (1992), einem Drama, das die Umbruchzeit des Ostens der "Wende" thematisiert und unter anderem mit dem Hessischen Filmpreis ausgezeichnet wurde. Er spielte die Rolle des enthusiastischen jungen Regisseurs Kai, der im Herbst 1989 an einem ostdeutschen Provinztheater sein erstes Stück inszenieren soll. Seine darauffolgende Nebenrolle als Peet in Joseph Orrs Komödie "Oben – Unten" (1994), sollte für über sieben Jahre sein letzter Auftritt im Film bleiben. Merten widmete sich dem Bühnenschauspiel; 1999 wurde er mit dem Conrad-Ekhof-Preis, dem Theaterpreis Mecklenburg-Vorpommerns geehrt.

Thorsten Mertens erfolgreiche Rückkehr auf die Kinoleinwand ergab sich wieder durch eine Zusammenarbeit mit Andreas Dresen: Für seine Rolle als Radiomoderator Chris im mehrfach preisgekrönten Drama "Halbe Treppe" (2001/02) wurde der Thüringer beim Festival du Cinéma Européen in Paris als bester männlicher Darsteller ausgezeichnet. In den folgenden Jahren war Merten im Spielfilm meist in ausgesuchten Nebenrollen zu sehen, so zum Beispiel in Dito Tsintsadzes "Schussangst" (2003), Eoin Moores "Im Schwitzkasten" (2005), Aelrun Goettes "Unter dem Eis" (2005), Oskar Roehlers "Elementarteilchen" (2006) oder Maximilian Erlenweins "Schwerkraft" (2009). In "Vier Fenster" (2006, Regie Christian Moris Müller) spielte er mit dem arbeitslosen Vater erneut eine Hauptrolle.

Ab 2004, nach Ablauf seines zweiten Festengagements am Staatstheater Schwerin, war Merten auf der Bühne des Maxim-Gorki-Theaters Berlin zu sehen, vor allem unter der Regie von Volker Hesse. Seit 2008 gehört Merten zum Ensemble der Volksbühne Berlin. Dort trat er unter anderem in "Iwanow" (2008) und Aischylos' "Prometheus" (2009) unter der Regie von Dimiter Gotscheff auf, sowie in den Castorf-Inszenierungen "Hunde" (2008) und "Nord" (2009) nach Louis-Ferdinand Célines gleichnamigem Roman.

Neben der Arbeit beim Film und am Theater war Merten in den 2000ern ausgiebig im Fernsehen aktiv. Besonders für Rollen in Kriminalfilmen und -reihen wie dem "Tatort" wurde er besetzt, wo er beispielsweise seit 2013 den Kommissariatsleiter Stich in den Fällen des Weimarer Teams Lessing (Christian Ulmen) und Dorn (Nora Tschirner) spielt. Als Oberinspektor Fichte ist er zudem beim Publikum der "Spreewald-Krimis" bekannt.

Mit dem hochgelobten Drama "Halt auf freier Strecke" kam es 2011 erneut zur Zusammenarbeit mit Andreas Dresen. Merten gab darin dem Hirntumor des Protagonisten Frank Lange (Milan Peschel) eine menschliche Gestalt. Im Anschluss sah man ihn im Episodenfilm "Ruhm" von Isabel Kleefeld an der Seite von Gabriela Maria Schmeide, Senta Berger, Heino Ferch und Julia Koschitz. In Nico Sommers Tragikomödie "Silvi", die auf der Berlinale 2013 Premiere feierte, verkörperte er Michael, den Mann der Protagonistin Silvi (Lina Wendel), von der er sich nach vielen Ehejahren trennt.

Im Frühjahr 2014 war Merten erneut am Staatstheater Schwerin in "Sonnenallee – Das Musical" nach der Filmvorlage von Thomas Brussig, Detlev Buck und Leander Haußmann als Obermeister Horkefeld zu sehen. Auf der Leinwand gab er den vom Schicksal getroffenen Bauunternehmer Bruno in Michael Baumanns "Willkommen bei Habib", der im Herbst 2013 bei den Hofer Filmtagen Premiere feierte. Für Aron Lehmanns "Kohlhaas oder Die Verhältnismäßigkeit der Mittel" wurde er mit dem Ensemble 2014 mit dem Deutschen Schauspielerpreis ausgezeichnet.

Es folgten Rollen in viel beachteten Werken wie "Wir sind jung. Wir sind stark" (2014), "Bornholmer Straße" (TV, 2014) und "Fremdkörper" (TV, 2015), in dem er den Empfänger einer illegal gespendeten Niere spielt. Nebenrollen hatte er außerdem in den Komödien "Alki, Alki" (2015), "Die letzte Sau" (2016) und "Petting statt Pershing" (2018) sowie in der aufwändigen Erfolgsserie "Babylon Berlin" (2017-2020).

David Nawrath besetzte Merten in einer zentralen Nebenrolle seines mehrfach ausgezeichneten Dramas "Atlas" (2017), im TV-Serienspecial "Der vierte Mann" (2019) von "SOKO Wien"/"SOKO Leipzig" spielte Merten die Hauptrolle eines Hausmeisters, der den Tod seiner einstigen Verlobten rächen will. In Sergei Loznitsas Kriegsdrama "Donbass" (2018) hatte er eine kleine Rolle als deutscher Journalist. Mit Andreas Dresen drehte er erneut beim gefeierten Biopic "Gundermann" (2018), das mit sechs Deutschen Filmpreisen ausgezeichnet wurde.

Auf der Berlinale 2020 feierte Johannes Nabers "Curveball" Premiere, ein satirischer Politthriller um wahre Begebenheiten im Vorfeld der US-amerikanischen Invasion im Irak, in dem Merten einen jovialen BND-Abteilungsleiter verkörpert. Für sein brillantes Spiel erhielt er beim Deutschen Filmpreis 2021 die Lola in der Kategorie Beste männliche Nebenrolle.

Weitere Kinorollen hatte Mertens als berufsjugendlicher Vater eines suizidalen Teenagers in "Nothing More Perfect" (2020) und als Gefängniswärter in der Kiezgeschichte "In Berlin wächst kein Orangenbaum" (2020). Im Fernsehen gab er weiterhin den Hauptkommissar Kurt Stich in den Weimarer "Tatort"-Folgen und den Oberinspektor Fichte im "Spreewaldkrimi". 

2022 starteten gleich zwei Filme mit Mertens in den Kinos: In Sönke Wortmanns Lehrer*innenkomödie "Eingeschlossene Gesellschaft" hatte er eine Hauptrolle als aufgebrachter Vater, in dem Kinderfilm "Alfons Zitterbacke - Endlich Klassenfahrt!" wiederum einen Lehrer.