Marie Mergey a commencé le sport au lycée, où elle pratiquait déjà l'athlétisme. Elle s'est ensuite tournée vers la natation et le triathlon, pour diversifier ses activités physiques et éviter les blessures. En 2005, elle a décidé de se consacrer entièrement à la pratique du triathlon et à partir de là , elle a commencé à faire des bons résultats.
En 2014, Marie Mergey s'est qualifiée pour le championnat du monde Ironman qui s'était tenu à Kona (Hawaii). Elle a terminé la course en deuxième position derrière la triathlète américaine Mirinda Carfrae. Cette performance a constitué un tournant dans sa carrière, puisqu'elle est devenue la première Française à devenir vice-championne du monde de triathlon longue distance.
En 2015, elle a remporté le championnat de France longue distance (Ironman) et en 2017, elle s'est qualifiée pour les Jeux olympiques de Rio de Janeiro dans la catégorie du triathlon sprint. Elle n'a pas réussi à se qualifier pour la finale, mais a terminé à une honorable 26e place.
En dehors de la compétition, Marie Mergey est également très impliquée dans des projets caritatifs et écoresponsables. Elle s'engage notamment en faveur de l'écologie et de la lutte contre les déchets plastiques. Elle a ainsi créé son propre projet, "Marie Mergey, un triathlète pour l'environnement", qui vise à sensibiliser les gens à l'importance de la protection de l'environnement et des océans.
Marie Mergey est également une ambassadrice de la marque sportive Decathlon, avec laquelle elle a signé un contrat de partenariat en 2016. Elle est aussi engagée dans le programme de formation "Décathlon for Athletes" qui vise à accompagner des athlètes en devenir sur leur parcours vers la compétition internationale et à les aider à atteindre leurs objectifs sportifs.