В Иркутск он прибыл в 1786 году. В это время здесь формировалась экспедиция Биллингса — Сарычева по изучению северо-восточных окраин России, в состав которой в самый последний момент вместо заболевшего натуралиста Патрэна в качестве руководителя научной части был включен К.-Г. Мерк. И хотя молодой врач не являлся специалистом-натуралистом, он охотно принял предложение И. И. Биллингса.

10 мая 1786 года К.-Г. Мерк в составе экспедиции И. И. Биллингса выехал из Иркутска. В середине мая он совершил экскурсию в окрестностях Верхоленска, а затем отплыл по Лене в Якутск, куда прибыл в конце мая. 9 июня вся экспедиция вьючной дорогой отправилась в Охотск.

После окончания экспедиции К.-Г. Мерк вернулся в Петербург, где некоторое время жил и работал врачом. Но в 1799 году, едва достигнув 38 лет, умер от кровоизлияния в мозг.

За время экспедиции К.-Г. Мерк собрал много разнообразных коллекций и представил первые научные сведения о флоре и фауне отдаленных районов северо-востока Сибири, южной части Камчатки, нескольких Алеутских островов и юго-западного берега Аляски. Его растения определял Рудольф и пользовался Георги. Путь Мерка нанесен на рабочую карту в Ботаническом музее Академии наук с указанием годов путешествия. Рукописи были переданы для опубликования П. С. Палласу, который, хотя и использовал многие сведения из записок Мерка для своей большой работы о животном мире азиатской части России, полностью рукописи по каким-то причинам не напечатал. Со смертью самого П. С. Палласа в Берлине его архив частью был утерян, в связи с чем исчезли и рукописи К. Г. Мерка.

Уже в наше время дневники этого натуралиста были обнаружены в Германии и изданы на немецком языке (этнографические наблюдения ученого переведены на русский язык и опубликованы в 1978 году). Уникальные же геологическая и зоологическая коллекции К. Г. Мерка и поныне хранятся в Минералогическом кабинете Эрмитажа и в Музее РАН (Санкт-Петербург).