Im Jahr 2010 wurde Tim Merlier belgischer Cyclocross-Meister der Junioren und war wenig später auch bei einem Bewerb der Superprestige-Serie erfolgreich. Daraufhin erhielt er im Jahr 2011 als U23-Fahrer einen Vertrag bei der Mannschaft Sunweb-Revor, für die er vorrangig Cyclocross-Rennen bestritt. In seinen fünf Saisons für die belgische Mannschaft konnte Merlier jedoch nur drei kleinere Rennen gewinnen und wechselte im Juni des Jahres 2015 zum Pauwels-Vastgoedservice Team. Dort war er ein Teamkollege von Wout van Aert, der im Jahr 2016 erstmals Cyclocross-Weltmeister wurde. Tim Merlier hingegen fuhr seinen ersten Erfolg im Straßenradsport ein, als er den GP Stad Zottegem 2016 im Massensprint gewann. Im Jahr 2017 folgte Merlier seinem Landsmann Wout van Aert zur Mannschaft Vérandas Willems-Crelan und gewann im Jahr darauf zwei Etappen und die Punktewertung der Dänemark-Rundfahrt. Weiters fuhr er im Cyclocross-Weltcup in den Saisons 2016/2017 und 2017/2018 zahlreiche Top-10-Ergebnisse ein.
Nach der Auflösung der Mannschaft Vérandas Willems-Cerlan kehrte er für die Cross-Rennen des Jahres 2019 zum Pauwels-Vastgoedservice-Team zurück, das zwischenzeitlich als Pauwels Sauzen-Vastgoedservice Continental Team an den Start ging. Für die Straßensaison wechselte er jedoch zur Mannschaft Corendon-Circus, die um den Cyclocross-Star Mathieu van der Poel aufgebaut worden war. Nachdem er sich bei der Elfstedenronde vor Fabio Jakobsen und Jasper Philipsen durchgesetzt hatte, wurde er kurze Zeit später im Alter von 26 Jahren belgischer Meister im Straßenrennen. Im Anschluss gewann er drei Etappen und die Punktewertung der Tour Alsace und eine weitere Etappe der Dänemark-Rundfahrt.
In der Saison 2025 gab er erneut sein Debüt bei der AlUla Tour, wo er zwei Etappen im Massensprint gewann. Auch bei der UAE Tour und bei Paris–Nizza sicherte er sich zwei Etappensiege. Nachdem er sich bei Gent–Wevelgem nur dem Ausreißer Mads Pedersen hatte geschlagen geben müssen, siegte er beim Scheldeprijs, wobei er sich souverän vor Jasper Philipsen durchsetzte.