Krátce po uspořádání prvních automobilových závodů se organizátoři rozhodli vytvořit pravidla a předpisy, jimiž se pokusili nastolit vyrovnané podmínky a zvýšit bezpečnost soutěží. Vlivem toho měly velké ceny ročníků 1934 až 1936 dávat alespoň malý smysl. Hlavním prvkem bylo omezení maximální hmotnosti na 750 kilogramů, zbytek byl ponechán představivosti a umění talentovaných konstruktérů. To však vedlo k šíleně výkonným motorům, které byly namontovány do křehkých nebezpečných rámů.

Takové řešení konstruktérů vedlo k nepřehlédnutelnému nárůstu počtu malých i vážnějších zranění. Výrobci se však nedokázali dohodnout na vhodných bezpečnostních omezeních, takže riskantní šílenství pokračovalo i v následující sezóně. Dominující Mercedes-Benz W125 byl poháněný motorem o výkonu 592 koní, avšak nebyl vybavený žádnou ochranou řidiče pro případ nehody. Zdravý rozum se do šampionátu vrátil až v roce 1938, kdy byla dohodnuta minimální hmotnost ve spojení s maximálním zdvihovým objemem. Komisaři dovolili 3 litry pro přeplňovaný motor a 4,5 litru pro atmosféricky plněný motor.

Rychlý výpočet v konstrukční kanceláři Mercedesu ukázal, že přeplňovaný motor bude nejvíce konkurenceschopný. Nový model W154 byl v mnoha ohledech evolucí typu W125, který byl původně vyvinutý s ohledem na budoucí předpisy. Neobvykle tuhý trubkový žebřinový rám z niklu a chromu byl přenesen s minimem změn. Největším rozdílem byl kratší rozvor nového vozu, jež byl možný při použití menšího motoru.

Zůstalo i přelomové zadní zavěšení DeDion, které bez vedlejších účinků kombinovalo výhody nezávislého zavěšení s kyvadlovou nápravou používanou mnoha konkurenty. V přední části byly použité nezávislé rovnoběžníkové nápravy s podélnými torzními tyčemi. I když byla nejvyšší dovolená hmotnost vyřazena z pravidel, co největší úspora hmotnosti byla pochopitelnou prioritou. Kvůli tomu byla většina dílů podvozku děrována za účelem odlehčení a odstranění přebytečného materiálu.

Po dlouhém a pečlivém zvažování všech možností se inženýři Mercedesu rozhodli vyvinout a použít zcela nový třílitrový vidlicový dvanáctiválec. Motor byl složený ze čtyř malých bloků po třech válcích, na něž byly usazeny vysoce pokročilé hlavy se čtyřmi ventily na válec. Na přední straně motoru byly namontovány dva kompresory typu Roots. Přestože měla značka vyvinutý systém vstřikování paliva, konstruktéři vybavili motor vyzkoušenými a důvěryhodnými karburátory.

Problémy se spolehlivostí přinutily tým, aby zpočátku použil vačky s „mírným“ náběhem. Takto naladěný motor M154 nejprve dosáhl chvályhodného výkonu 425 koní, ale ke konci roku dokázal vyvinout až 475 koní. Motor byl do podvozku namontován tak, aby se mohla hnací hřídel uložit podél řidiče. Celý vůz byl následně zabalen do hliníkových panelů, takže se velmi podobal předchozímu W125.

Mercedes-Benz měl v sezóně 1938 soutěžit pouze v devíti závodech, ale mechanici zkonstruovali necelých 14 podvozků a 19 motorů. Za volantem typu W154 závodili Rudolf Caracciola, Manfred von Brauchitsch a Hermann Lang. V polovině sezóny se ke třem Němcům připojil britský talent Richard Seaman. Poté, co byl tým Mercedesu na velké ceně v Pau poražen atmosférickým Delahaye, získaly Mercedesy W154 vítězství v šesti z osmi následujících závodů.

Všichni čtyři jezdci se podíleli na vyznamenáních a ukončili sezónu na čtyřech nejvyšších pozicích evropského šampionátu. Caracciola získal nejvíce bodů, takže byl korunován šampiónem. Jedinou chybou sezóny bylo zrušení účasti v závodě Indy 500 kvůli technickým problémům na jejím počátku.

Navzdory všem úspěchům byl Mercedes-Benz W154 průběžně vyvíjen. Už během sezóny 1938 došlo ke změně velikosti a umístění palivových nádrží, stejně tak se změnil i jejich tvar. V zimě došlo ke kompletnímu přepracování motoru. I když se technická specifikace změnila jen lehce, výkonnější motor byl vybaven jedním dvoustupňovým kompresorem, čímž byl výrazně vylepšen nárůst hnací síly v celém spektru otáček.

Upravený motor byl nově označen jako M163, kvůli čemuž jsou vozy Mercedes-Benz sezóny 1939 nesprávně označovány jako W163. Stále se totiž jednalo o podvozky W154, ačkoliv byly vybaveny novým motorem a aerodynamičtějším zakrytováním. Zvenku jsou snadno rozpoznatelné podle mnohem menší oválné masky. Motor M163 dosahoval 480 koní a netrpěl nadměrnou spotřebou oleje jako předchozí M154.

Sezóna 1939 se nesla v duchu opravdového závodění, čemuž především přispěla účast vozu Auto Union Type D, který se ukázal jako impozantní protivník. W154 si stále držel vítězné tempo a tentokrát dokázal ovládnout i Grand Prix v Pau. Hermann Lang se ukázal jako muž sezóny, když získal čtyři vítězství ze sedmi možných. Šampión minulé sezóny Caracciola vyhrál všechny významné německé závody. Od září 1939 byla naprostá většina závodů zrušena. Začala druhá světová válka.

Mercedes-Benz W154 se ukázal na závodních tratích i po válce. Jeden exemplář se zúčastnil závodu Indy 500 v roce 1947 a 1948, ale příliš složitý stroj se stal velkým soustem pro malý soukromý tým. Mercedes-Benz dodal dva vozy do Argentiny pro dva závody Formula Libre, kde se však jezdci potýkali s technickými problémy. Palivo používané v těchto těžkých časech mělo daleko k „výbušným nápojům“ používaným před válkou. Špičkové motory s ním běžely příliš obtížně.

Předpokládá se, že Mercedes-Benz postavil patnáct exemplářů typu W154, které společně získaly jedenáct výher v šestnácti závodech. Třetí vyrobený podvozek se v letech 1938 a 1939 nikdy nepoužil a poslední vyrobené auto si zazávodilo až v Argentině. Podvozek číslo 3 mohl být spolu s podvozkem 11 použitý pro montáž aerodynamické karoserie, s níž dokázaly vozy W154 dosahovat nejvyšší rychlosti až 430 kilometrů v hodině. Dnes je známá existence pouze devíti exemplářů.

Dva exempláře Mercedesu W154 se během války dostaly i na území tehdejšího Protektorátu Čechy a Morava. Jeden z vozů byl později prodán do zahraničí a po válce se zúčastnil závodů v Indianapolis. Druhý exemplář, s nímž závodil Rudolf Caracciola, se v současnosti nachází se sbírce Národního technického muzea v Praze. Část zajímavého příběhu obou vozů se můžete dočíst v článku Příběh závodního Mercedesu-Benz W154 ze sbírky Národního technického muzea.