Koncem sezóny 1996 se rozpadlo Mezinárodní mistrovství cestovních vozů (ITC) a Mercedes-Benz a jeho partner AMG tak zůstaly bez šampionátu, v němž by mohly předvést své sportovní schopnosti. Novou výzvou bylo mistrovství FIA GT pro sériové sportovní vozy rozdělené do dvou tříd GT1 a GT2. Jako bonus mohly vozy postavené podle předpisů FIA GT startovat také v závodě 24 hodin Le Mans a ačkoli byly předpisy určeny pro GT odvozené od silničních vozů, jednoduše stanovily, že homologace pro GT1 vyžaduje výrobu minimálně 25 exemplářů.

V roce 1996 tuto výhodu jako první využila společnost Porsche se svým speciálně vyrobeným závodním vozem 993 GT1, který soutěžil s Ferrari a McLareny, jež byly ve skutečnosti odvozeny ze silničních vozů. FIA z nepochopitelných důvodů pomohla časově zaneprázdněnému Mercedesu-Benz/AMG a také několika menším výrobcům tím, že změnila datum homologace z doby před prvním závodem na poslední den roku. Díky tomu se chlapci ze Stuttgartu mohli soustředit výhradně na svůj připravovaný závodní vůz GT1.

Zatímco vůz Porsche 911 GT1 byl postaven na základě stávajícího monokoku silničního vozu 911 (993 a později 996), Mercedes-Benz se do toho pustil s čistým štítem. Byl navržen špičkový monokokový podvozek z uhlíkových vláken, který vytvořila britská společnost Lola Composites. Zavěšení bylo řešeno dvojitými lichoběžníky a vinutými pružinami s tažnými tyčemi přes tlumiče na obou koncích. Uprostřed byl namontován šestilitrový motor V12 od Mercedesu v úpravě AMG. Dýchal přes povinné restriktory sání a přesto měl výkon nejméně 600 koní. Čtyřvačkový dvanáctiválec byl spojen se šestistupňovou sekvenční převodovkou.

Podvozek byl oděn do karbonových panelů karoserie, které matně připomínaly silniční vůz CLK, z něhož nový závodní CLK GTR údajně vycházel. Jediné díly, které si našly cestu z CLK na závodní vůz, byly mřížka chladiče a přístrojová deska. Také přední a zadní světla se podobala nedávno představenému dvoudveřovému kupé. Při vývoji pokročilé aerodynamiky inženýři Mercedesu použili McLaren, na který během testování naroubovali nové panely. Od začátku konstrukčních prací trvalo dokončení prvních dvou vozů pouhých 128 dní. Díky tomu se Mercedes mohl zúčastnit úvodního kola šampionátu FIA GT, které se konalo na Hockenheimringu.

Dvěma největšími soupeři CLK GTR byly přepracované vozy Porsche 996 GT1 a nový dlouhoocasý McLaren F1 GTR týmu BMW Motorsport, které byly před sezónou homologovány. Revize rozměrů restriktorů pro přeplňované motory prakticky odsunula vozy Porsche na vedlejší kolej, takže o vítězství musely bojovat vozy CLK GTR a F1 GTR. Na Hockenheimringu se projevila omezená doba vývoje a oba vozy CLK musely odstoupit. Během následujících dvou kol se tým rychle sžíval s novým vozem, i když se zatím nemohl rovnat hrubé rychlosti a schopnostem JJ Lehta a Steva Sopera v nejrychlejším McLarenu. Po třetím závodě nastala v sezóně velká přestávka, aby se týmy mohly zúčastnit závodu 24 hodin Le Mans.

Mercedes-Benz se rozhodl vynechat legendární vytrvalostní závod a místo toho se zaměřit na další vývoj modelu CLK GTR. To okamžitě přineslo výsledky: Bernd Schneider a Klaus Ludwig vedli Mercedes na Nürburgringu ke dvěma vítězstvím. V následujícím kole ve Spa Lehto a Soper opět zazářili v proměnlivých povětrnostních podmínkách. Schneider jim to vrátil vítězstvím v dalších třech kolech, přičemž během těchto závodů přeskakoval podle potřeby z vozu do vozu. Následná vítězství v Sebringu a Laguna Seca přinesla Berndu Schneiderovi a AMG Mercedes titul jezdce a konstruktérů. To vše s vozem, který ještě nebyl homologován.

Jak nařídila FIA, AMG do konce roku postavilo jeden silniční vůz CLK GTR. Od závodního vozu se lišil integrovaným zadním křídlem a sedmilitrovou verzí motoru V12 s výkonem 612 koní. Vůz byl vybaven upraveným systémem řízení, který umožňoval rychlou jízdu na běžných silnicích. První silniční exemplář si Mercedes-Benz ponechal a trvalo by ještě rok, než se začaly dodávat slíbené sériové vozy. V období od zimy 1998 do léta 1999 byla nakonec vyrobena série 20 zákaznických vozů. Za cenu zhruba 1,5 milionu dolarů si CLK GTR vysloužil označení nejdražšího silničního vozu, který byl v té době vyroben. V následujících letech byly stávající vozy upraveny společností AMG/HWA s většími motory a nejméně pět dalších vozů bylo postaveno s karoserií Roadster.

Když se AMG Mercedes v roce 1998 vrátil do šampionátu FIA GT, zjistil, že se vrátilo pouze Porsche. Úhlavní rival BMW vyřadil svůj McLaren ve prospěch nového prototypu s otevřenou karoserií a usiloval o absolutní slávu v Le Mans. Porsche si vzalo příručku Mercedesu pro interpretaci předpisů a připravilo zcela novou verzi svého vozu GT1, doplněnou o karbonovou vanu. Nevyváženost restriktorů ponechala vozy Porsche ve FIA GT opět neškodné a první dvě kola vyhrál CLK GTR. Pro vozy továrního týmu to byly poslední starty, ačkoli tým Persson Motorsport provozoval své vozy i po zbytek sezóny.

Mercedes se tentokrát vydal do Le Mans a přivezl přepracovanou verzi závodního vozu GT1 inspirovanou modelem CLK. Vůz s příhodným názvem CLK LM byl vybaven pětilitrovým motorem V8, který byl především výrazně lehčí než větší V12. Vycházel z motoru, který v roce 1989 zvítězil v Le Mans, a byl považován za spolehlivější než motor CLK GTR. Osmiválec byl vybaven většími restriktory, takže dosahoval podobných hodnot výkonu jako větší V12. Přepracován byl také aerodynamický paket, aby vyhovoval specifickým potřebám vysokorychlostní trati. Příď i střecha byly sníženy, čímž se výrazně snížil odpor vzduchu.

Úpravy se okamžitě projevily, protože oba přihlášené vozy dosáhly během kvalifikace prvního a třetího nejrychlejšího času. Závod se rychle změnil v katastrofu, když po čtyřech hodinách selhaly motory v obou vozech CLK LM. Paradoxně závod vyhrál závodní vůz Porsche 911 GT1, který se v prvních dvou závodech nedokázal vyrovnat vozům CLK GTR. Po Le Mans se AMG Mercedes vrátil do šampionátu FIA GT s modelem CLK LM. Tým ovládl šampionát a vyhrál všech osm zbývajících závodů. Shodně Klaus Ludwig vyhrál svůj poslední závod za Mercedes-Benz v Laguna Seca společně s Ricardem Zontou. Oba vystřídali Schneidera na pozici šampiona.

Pro mnohé nebylo překvapením, že vozy GT1 byly pro rok 1999 vyřazeny ze šampionátu FIA GT. Jelikož se nyní všichni soustředili na Le Mans, pověřil Mercedes-Benz společnost AMG, aby postavila zcela nový závodní vůz, který by se ucházel o absolutní vítězství. Vůz byl pojmenován CLR, ukázal se jako rychlý, ale velmi nestabilní a ve vysokých rychlostech třikrát havaroval. Vůz, který přežil, byl ze závodu stažen a šéf týmu Mercedes-Benz Motorsport Norbert Haug slíbil, že se do Le Mans už nikdy nevrátí. Přestože tento tříletý program po dvě sezóny dominoval šampionátu FIA GT, navždy zůstane v paměti kvůli dvěma katastrofálním účastem v Le Mans.