Le Merlin est un V-12 à essence dont les deux bancs de cylindres sont à 60 ° ; l'allumage se fait selon la séquence : 1A, 6B, 4A, 3B, 2A, 5B, 6A, 1B, 3A, 4B, 5A, 2B (le cylindre 1A étant le plus éloigné à droite par rapport au pilote).
Chaque cylindre est pourvu de deux soupapes d'admission et de deux d'échappement, ces dernières sont refroidies au sodium, et actionnées par un arbre à cames en tête. L'alimentation du moteur est réalisée par un carburateur doté d'un contrôle automatique de la richesse. L'air est fourni par un compresseur à deux étages à deux vitesses, le flux d'air étant refroidi entre les deux étages par un échangeur de chaleur. Le liquide de refroidissement est un mélange de 70 % d'eau et 30 % d'éthylène glycol pressurisé. La lubrification est assurée par un circuit d'huile qui comporte une pompe de pression et deux pompes de vidange.
Lors de la bataille d'Angleterre en 1940, le gouvernement britannique décida de fournir sous licence les plans du moteur aux Américains dans l'éventualité de leur défaite. La société Packard Motor Company donna son accord en septembre, pour lancer la production du moteur à la fois pour les Britanniques et les Américains, en l'adaptant aux techniques de production de masse de l'industrie américaine. Les deux premiers exemplaires furent présentés le 2 août 1941 à l'usine de Détroit et la production de masse commença en 1942.
Le maintien d'une alimentation par carburateur a été un défaut souvent reproché au Merlin, celui-ci pouvant amener le moteur à caler lors d'une manœuvre brusque en G négatifs, comme par exemple lorsqu'on pousse sur le manche à balai de l'avion. Les pilotes de Messerschmitt Bf 109 utilisèrent ainsi souvent l'avantage que leur procurait l'injection directe pour semer un Supermarine Spitfire à leurs trousses. Cependant l'usage d'un carburateur n'était pas sans avantage, loin s'en faut : Le système d'alimentation est en effet beaucoup plus simple à produire et à maintenir, et plus fiable, du fait de l'absence des pompes nécessaires au système d'injection. De plus, les systèmes avec carburateur permettent de produire un mélange plus riche que les systèmes à injection, donnant donc au moteur une puissance massique supérieure. Ces avantages compensaient amplement l'inconvénient présenté par le désamorçage du moteur. En outre, une petite modification du carburateur, imaginée en mars 1941 par Miss Tilly Shilling à Farnborough, remédia grandement au problème, avec l'introduction d'une membrane percée dans les cuves, qui autorisait enfin les manœuvres en G négatifs pendant de courtes périodes. En 1943, l'arrivée des carburateurs américains Bendix-Stromberg anti-G, qui furent montés sur les Merlin 66, résolut définitivement le problème.
Dans les années 1960, John Dodd, dans le Kent en Angleterre, monta le moteur dans un véhicule de sa conception appelé The Beast (la bête). Dépourvu de compresseur, il fournissait 850 chevaux (certains pensent qu'il s'agissait d'un Rolls Royce Meteor) et entraînait une transmission automatique TH-400 de General Motors sur un châssis en fibre de verre. Listé dans le livre Guinness des records, The Beast y est considéré comme le véhicule routier le plus puissant au monde.