Sa très longue carrière olympique a commencé aux Jeux Olympiques à Moscou en 1980. Avec le relais jamaïcain, elle finit sixième de la finale. Mais c’est sur le 200m qu’elle va s’illustrer en remportant la médaille de bronze, la première d’une athlète féminine aux Jeux Olympiques pour son pays. Quatre ans plus tard aux Jeux à Los Angeles, elle se distingue à nouveau en décrochant deux médailles de bronze au 100 et 200m. Elle emmène une nouvelle fois le relais 4x100m en finale qui termine à la huitième place.
Bien que blessée, ses troisièmes Jeux Olympiques à Séoul en 1988 se soldent par une 4e place dans le 200m et deux éliminations en demi-finale du 100m et en finale du relais. Celle qui fut 15 fois élue sportive de l’année en Jamaïque remporte une nouvelle médaille de bronze aux Jeux à Barcelone en 1992, toujours sur le 200m. Sur 100m, elle termine cinquième et le relais 4x100m jamaïcain échoue encore une fois en finale en ne terminant pas la course.
À 36 ans, les Jeux Olympiques à Atlanta en 1996 sont une consécration pour elle. Elle décroche trois médailles. Sur 100m, elle termine avec le même temps que l’Américaine Gail Devers seulement départagée par la photo finale avec l’or remportée par Devers. Sur le 200m, Merlene termine à 12 centièmes de la Française Marie-José Perec. Avec le relais 4x100m, la Jamaïque est récompensé par la médaille de bronze dans une course palpitante au coude à coude avec les États-Unis finalement sacrés et les Bahamas deuxièmes.
Les Jeux Olympiques à Sydney en 2000 permettent à Merlene de remporter une nouvelle médaille d’argent avec le relais national derrière les Bahamas. Sa finale du 100m se termine au pied du podium avec une 4e place. C’est sous les couleurs de la Slovénie, le pays de son coach et son nouveau pays d’adoption depuis 2002, qu’elle dispute ses derniers Jeux Olympiques à Athènes en 2004. Du haut de ses 44 ans, elle réussit la performance de se qualifier pour les demi-finales des épreuves de sprint.
Seul un titre olympique manque à son incroyable palmarès de huit médailles aux Jeux (un record) et de 14 médailles en Championnats du monde, dont deux titres mondiaux sur 200m en 1993 et 1995 et un autre obtenu avec le relais jamaïquain en 1991. Avec l’escrimeuse Suédoise Kirstin Palm, Merlene Ottey est à ce jour la seule femme à avoir participé à sept éditions des Jeux olympiques.