Konkurrens- och marknadsmyndigheten uttryckte "allvarlig oro" inför Europeiska kommissionen om affären.
Kommissionen varnade för att sammanslagningen skulle kunna orsaka "långsiktig skada" för de brittiska konsumenterna, eftersom den endast skulle innebära tre mobila nät.
CK Hutchison, ägaren till Tre, sade att det var "mycket besviken" CMA hade publicerat brevet.
Europeiska kommissionen har fram till den 19 maj på sig att fatta ett beslut om tre förslag till övertagande av O2 på 0,5 miljarder pund.
Hutchison sade: " Det är ingen överraskning att CMA motsätter sig sammanslagningen. Det har det alltid, och det har Ofcom också. Men det är upp till kommissionen att bedöma eventuella konkurrensproblem på grundval av fakta och föreslagna korrigerande åtgärder."
Sky, Virgin, Tesco och UK Bredband har gått med på att använda Three-O2's andel av brittiska luftvågor för att erbjuda sina egna mobilpaket, sade företaget.
"Inträdet av så många olika, starka och engagerade spelare kommer att se till att det finns gott om konkurrens på den brittiska marknaden och gott om moterbjudanden till alla förmodade prisökningar efter sammanslagning", sade det.
Tre ägare tillade att det skulle investera 5 miljarder pund i brittisk mobil infrastruktur och att nya aktörer skulle lägga till ytterligare 5 miljarder pund.
Hutchisons planerade köp av O2, som ägs av Asiens rikaste person Li Ka-shing, tillkännagavs i början av förra året.
Om affären godkänns skulle den bara lämna två andra stora brittiska operatörer: EE och Vodafone.
Hutchison skickade sina förslag till korrigerande åtgärder till Europeiska kommissionen förra veckan för att underlätta övertagandet.
CMA sade att korrigerande åtgärder "faller väl kort" och insisterade på att kommissionen i stället borde tvinga större delen av O2 eller Threes mobila nätverk att säljas av efter affären.
"Avsakna sådana strukturella åtgärder, det enda alternativ som står till kommissionens förfogande är förbud", sade Alex Chisholm, CMA:s verkställande direktör, i brevet till Europeiska kommissionen.
Den europeiske konkurrenskommissionären Margrethe Vestager kommer att fatta det slutliga beslutet om affären, snarare än de brittiska tillsynsmyndigheterna.
"I bästa fall ser vi UK affären godkännande odds vid 50/50. Risken, här, är att beslutet kan bli allt mer politiskt (från ett brittiskt perspektiv är det redan) eftersom det är så nära Brexit omröstningen, säger Mandeep Singh, en partner på Redburn analytiker.
Kampanjer för en brittisk utresa från EU - känd som "Brexit" - har redan uttryckt oro över att Europeiska kommissionen har sista ordet i stället för CMA eller Ofcom.
Kommissionen har tidigare godkänt avtal i Irland, Österrike och Tyskland som minskade antalet mobila nät från fyra till tre.
Den brittiska telekommarknaden genomgår en betydande förändring, där bredbands-, mobil- och abonnemangs-TV-leverantörer i allt högre grad konkurrerar med varandra.
BT återinträdde på mobilmarknaden tidigare i år efter att CMA godkänt sitt övertagande av EE på 12,5 miljarder pund.
Tom Mockridge, direktör för Virgin Media, sade: "En kombinerad O2-Tre skulle ge en motvikt till BT/EE:s styrka och erbjuda en alternativ källa till kapacitet till andra leverantörer som kommer att driva konkurrensen i sin egen rätt."
Den planerade sammanslagningen av mobilnäten O2 och Three bör blockeras eller underkastas stränga restriktioner av EU:s tillsynsmyndigheter, sade den brittiska konkurrensvakthunden.