Родился 5 марта 1512 года в Рюпелмонде (Восточная Фландрия, ныне Бельгия). Наиболее известен как автор картографической проекции, носящей его имя. Меркатор впервые применил эту равноугольную цилиндрическую проекцию при составлении навигационной карты мира на 18 листах (1569 год). Проекция Меркатора отличается тем, что на картах не искажаются углы и формы, а расстояния сохраняются только на экваторе. В настоящее время она применяется для составления морских навигационных и аэронавигационных карт. Хотя в результате современных историко-картографических исследований установлено, что такая проекция использовалась ещё в 1511 году, широкое применение она получила лишь благодаря Меркатору.
Меркатор учился сначала в Хертогенбосе (ныне Нидерланды) у Георгиуса Макропедиуса, а затем в Лёвенском университете (ныне Бельгия), где стал учеником географа и гравера Райнера Гемма-Фриза. После окончания университета в 1532 году работал вместе с Гемма-Фризом над созданием глобусов Земли и Луны; одновременно занимался изготовлением точных оптических инструментов, а также преподаванием географии и астрономии.
В 1537 году выпустил карту Палестины на 6 листах, а в 1538 году — карту мира (на ней он впервые показал местоположение южного материка, существование которого долго вызывало сомнения). Эти две работы принесли Меркатору славу выдающегося картографа, и ему была заказана карта Фландрии, которую он составил в 1540 году.
В следующем году император Священной Римской империи Карл V поручил Меркатору изготовить набор астрономических инструментов. В 1541 году Меркатор создал глобус Земли, спустя 10 лет — глобус Луны и в 1552 году подарил их Карлу V.
В 1544 году Меркатор, сочувствовавший протестантам, был арестован по подозрению в ереси, но вскоре освобожден. Опасаясь за свою безопасность в католической Фландрии, он принял предложение герцога Клеве-Юлих-Бергского и переселился в Дуйсбург (Германия) в 1552 году.
В 1544 году Меркатор опубликовал карту Европы на 15 листах. На ней он впервые правильно показал очертания Средиземного моря, устранив ошибки, повторяющиеся со времен древнегреческого географа Птолемея. В 1563 году Меркатор составил карту Лотарингии, а в 1564 году — Британских островов (на 8 листах). В 1569 году Меркатор опубликовал «Хронологию» (Chronologia) — обзор астрономических и картографических работ. Через три года выпустил новую карту Европы на 15 листах, а в 1578 году — гравированные карты для нового издания «Географии Птолемея», затем приступил к работе над Атласом (этот термин впервые предложил Меркатор для обозначения набора карт). Первая часть Атласа с 51 картой Франции, Германии и Бельгии вышла в 1585 году, вторая с 23 картами Италии и Греции — в 1590 году и третья с 36 картами Британских островов была опубликована после смерти Меркатора его сыном Румольдом в 1595 году.
Умер Меркатор в Дуйсбурге 2 декабря 1594 года.
Именем Меркатора называются многие картографические компании.
Меркатор был женат на Барбаре Шеллекен, с которой он обвенчался в 1536 году. У него было шестеро детей. Из трёх его сыновей лишь один — Румольд пережил его. Сыновья Меркатора Румольд и Арнольд продолжили его дело (сын Бартоломей умер в возрасте 18 лет). Сыновья Арнольда Иоганн, Герард и Михаэль также стали известными картографами.