Fils du peintre et critique d'art Charles-Olivier Merson (1822-1902) et de Félicie Joséphine Talbot, Luc-Olivier Merson étudie auprès de Gustave Adolphe Chassevent-Bacque à l'École de dessin puis auprès d'Isidore Pils à l'École des beaux-Arts de Paris. Il expose pour la première fois au Salon de 1866 et obtient le grand prix de Rome de peinture en 1869 avec "Le Soldat de Marathon". Luc-Olivier Merson obtient une médaille de première classe au Salon des artistes français de 1875, et une médaille d'or lors de l'Exposition universelle de Paris de 1889.