Après avoir étudié pendant cinq ans le piano à l'École Normale de Musique de Paris, Stanislas Merhar commence à travailler la dorure sur bois. En 1997, il est remarqué lors d'un casting sauvage organisé par Anne Fontaine pour les besoins du film Nettoyage à sec. La cinéaste lui offre le rôle d'un jeune homme qui va semer la confusion dans un couple propriétaire d'un pressing. Jouant aux côtés de Miou-Miou et de Charles Berling, sa prestation lui vaut le César du Meilleur espoir en 1998. La même année, il intègre le casting prestigieux du téléfilm Le Comte de Monte-Cristo (où il côtoie Gérard Depardieu, Ornella Muti, Jean Rochefort, Pierre Arditi...) de Josée Dayan, une réalisatrice avec qui il travaillera à nouveau en 2001 pour Zaïde, un petit air de vengeance.

Adepte d'un cinéma d'auteur exigeant, ce comédien qui rêve d'être dirigé par Maurice Pialat apparaît tour à tour dans La Lettre (1999) de Manoel de Oliveira, Les Savates du Bon Dieu (2000) de Jean-Claude Brisseau et La Captive (id.) de Chantal Akerman. Héros du futuriste Furia (2000) d'Alexandre Aja, il tourne également en Italie, apparaissant ainsi dans I Cavalieri che fecero l'impresa (2001) de Pupi Avati et Nobel (2002) de Fabio Carpi. Aussitôt revenu en France, il devient le Adolphe (2002) de Benoît Jacquot, puis collabore à deux reprises avec Michel Deville sur Un monde presque paisible (id.) et l'adaptation de la pièce de Georges Feydeau Un fil à la patte (2003).

Prisé par les plus grands, Stanislas Merhar n'hésite pas pour autant à donner sa chance à de jeunes réalisateurs débutants comme Andrew Litvack (Merci... Dr Rey !, 2003), Jean-Henri Roger (Code 68, 2004), Dominique Lienhard (Müetter, 2005) et Gela Babluani (L'Héritage, 2006). En 2011, après avoir tourné sous la direction de deux autres cinéastes novices, Valérie Mréjen et Bertrand Schefer, dans leur premier long En ville (2011), il retrouve la tête d'affiche d'un film de Chantal Akerman, La Folie Almayer.