Родилась 1 января 1939 года в Ницце. Дочь француза и итальянки она с детства увлекалась танцами. В 1947 она становится солисткой балета в оперном театре Ниццы. Морис Шевалье однажды встретившись в театре с молодой балериной, предсказывает ей большой успех.
В 17 лет Жоселен едет покорять Париж, несмотря на возражения родителей, которые видят дочь наследницей фармацевтической компании, принадлежащей семье Мерсье. Она танцует сначала в труппе Ролана Пети, а затем в труппе «Балет Эйфелевой башни». Вместе с тем она учится актерскому мастерству.
Дебют Жоселен в кино состоялся в фильме «Поворот ручки». Режиссер повстречал девушку в доме ее отца в Ницце, куда она возвратилась, отчаявшись добиться успеха в балете. Имя Жоселен не понравилось продюсерам и Жоселен превратилась в Мишель. По официальной версии имя было позаимствовано у Мишель Морган, игравшей в «Повороте ручки» главную роль. Однако, по стечению обстоятельств, имя Мишель также некогда носила младшая сестра Жоселен, умершая еще в детстве.
За «Поворотом ручки» последовали роли в интернациональных романтических комедиях, американский фильм ужасов, комедия с Бобом Хоупом и маленькие роли у Франсуа Трюффо в «Стреляйте в пианиста» и Анатоля Литвака в «Любите ли вы Брамса?»
Мишель переезжает работать в Великобританию, а затем в Италию, где многочисленные роли в итальянских скетчах делают ее «самой известной французской актрисой в Италии». Актрису знают во многих странах, но она почти неизвестна в родной Франции. В 1963 году ей предлагают главную роль в костюмированном историческом фильме по популярному роману Анны и Сержа Голон «Анжелика», после того как от нее отказались Брижит Бардо, Катрин Денёв и Джейн Фонда. Мишель удачно проходит пробы и получает роль, которая принесет ей всемирную известность. С конца 60-х Мишель Мерсье будет ассоциироваться только с Анжеликой.
Актриса будет пытаться уйти от стереотипа, навязанного ей ее кинематографическим альтер эго. На гребне успеха она появится на экране в роли проститутки в фильме «Гром небесный» с Жаном Габеном, а во «Второй истине» Кристиана-Жака сыграет убийцу. Но после окончания последней серии «Анжелики», все появления Мерсье на экране будут малозаметны. Очередной переезд, теперь в США, будет отмечен не слишком успешным фильмом с Чарльзом Бронсоном и Тони Кёртисом.
В 1984 году, после двух разводов (с помощником режиссера Андре Смагги в 1965 и с гонщиком Клодом Бурило в 1976) Мерсье уйдет из кино, чтобы полностью отдаться личной жизни. На экранах она вновь появится только через 14 лет. В 1999 финансовый крах заставит ее выставить на продажу личные вещи и платья Анжелики, некогда выкупленные у киностудии.
Мерсье продолжает появляться на кинофестивалях с ретроспективами фильмов об Анжелике. В 2006 году правительство Франции вручило актрисе Орден литературы и искусства.