Narodil se v městě Greiz, ležícím v Durynsku, necelých 40 km od hranic s Českou republikou. Jeho rodiče působili jako učitelé a Ulf byl jejich jediným dítětem. Nejprve žil v malé vesničce Wellsdorf, od roku 1945 pak v obci Kurtschau.
Po absolvování základní školy a gymnázia chtěl pokračovat ve studiu na vysoké škole. Vyskytly se však politické problémy, kvůli kterým nakonec roku 1960 opustil tehdejší Německou demokratickou republiku a přes Západní Berlín se dostal do Spolkové republiky Německo. Zde studoval fyziku na univerzitě ve Stuttgartu. Vysokoškolský titul získal roku 1968 a o osm let později úspěšně složil i doktorát.
Roku 1977 zahájila Evropská kosmická agentura (ESA) výběr prvních kosmonautů do svého oddílu a Merbold se stal jedním z nich. Spolu s dalšími kandidáty se začal připravovat na kosmický let.
Poprvé vzlétl na orbitu raketoplánem Columbia při misi STS-9, která proběhla od 28. října do 8. prosince 1983. Hlavním cílem výpravy byly experimenty v evropské kosmické laboratoři Spacelab a Merbold v posádce zastával post specialisty pro užitečné zatížení.
Díky tomuto letu se stal 131. člověkem, který se dostal na oběžnou dráhu Země a zároveň si připsal jedno prvenství. Byl prvním cizím státním příslušníkem, kterého do kosmického prostoru vynesl americký kosmický dopravní prostředek.
Druhý Merboldův kosmický let nesl označení STS-42 a na palubě raketoplánu Discovery jej uskutečnil v lednu 1992. I tentokrát byla v nákladovém prostoru laboratoř Spacelab, ve které bylo velké množství vědeckých přístrojů. Zkoumaly se zejména vlivy mikrogravitace na různé jevy.
Třetí, nejdelší let absolvoval Merbold roku 1994. Odstartoval 3. října v ruské kosmické lodi Sojuz TM-20, která jej dopravila k orbitální stanici Mir. Zde pracoval déle než měsíc a jeho pobyt je označován jako 12. návštěvní expedice. Zpět na zemský povrch jej 4. listopadu dopravil Sojuz TM-19.
Ze skupiny kosmonautů Merbold odešel roku 2004. Stále však udržuje kontakt s ESA a přednáší například na téma Věda ve vesmíru. V jednom rozhovoru prohlásil, že jedním z důležitých milníků, kterého by mělo lidstvo dosáhnout v 21. století, je přistání pilotované výpravy na Marsu.
