Arne Merilai on käsitlenud kirjandust, filosoofiat ja teatrit. Tema peamised uurimisteemad on olnud eesti luule, poeetika ja pragmapoeetika ning kirjandusfilosoofia. Silmapaistev on Merilai töö ballaadiuuringute vallas, sh eesti ballaadiantoloogiate koostaja ning toimetajana. Ta on avaldanud kaks luulekogu (""Merlini aare: Luulemärss 1994–1998"", 1998; ""Tolmutort"", 2001), ühe romaani (""Türann Oidipus"", 2009) ja kirjutanud ka näidendeid.