Antoine du Merle fait ses premiers pas devant la caméra dès l'âge de 4 ans. Le bambin blond aux yeux bleus se fait d'abord remarquer dans quelques publicités. Il décroche son premier rôle au cinéma dans Quand j'avais, j'm'ai tué. Il joue ensuite l'un des enfants de Daniel Auteuil et Emmanuelle Béart dans Une Femme française de Régis Wargnier, en 1995.

C'est avec le personnage de Michael Rossignol, le gamin intrépide des Trois Frères, qu'il marque les esprits. Avec ses répliques qui font mouche, la comédie des Inconnus accède au rang de film culte. Le succès du long métrage lui ouvre la voie et enchaîne alors de nombreux rôles à la télévision comme au cinéma. Il tourne notamment sous la direction de Jacques Doillon dans Ponette. En 1997, dans Louise (Take 2), il donne la réplique entre autres à Elodie Bouchez. 

En 1999, il retrouve Les Inconnus pour L'Extraterrestre, qui ne rencontrera cependant pas le même succès que Les Trois Frères. Multipliant les apparitions, au cinéma et à la télé, Antoine du Merle reprendra son personnage pour Les Trois Frères, le retour, attendu dans les salles en février 2014.