En 1978, la Agencia Espacial Europea (ESA) lo eligió, junto con Wubbo Ockels y Claude Nicollier, para entrenarse como especialistas de carga en el primer vuelo del módulo Spacelab.
En 1982, fue seleccionado como el primer especialista de carga, y en 1983 voló a bordo del transbordador espacial Columbia en la misión STS-9.
En 1986, fue transferido al Centro Europeo de Investigación y Tecnología Espacial (ESTEC) para trabajar en el módulo europeo Columbus de la Estación Espacial Internacional.
En 1993, también comenzó a entrenar para volar la primera de dos misiones conjuntas europeas de Rusia a la estación espacial Mir, llamada Euromir 95.
Merbold sigue trabajando para la AEE en la Microgravity Promotion Division de la ESA Directorate of Manned Spaceflight and Microgravity en el ESTEC, pero ya no es miembro del equipo de astronautas de Europa.