C. mertensii có phạm vi phân bố rộng rãi ở khu vực Tây-Trung Thái Bình Dương. Ở Biển Đông, loài cá này được ghi nhận ở vùng biển ngoài khơi Việt Nam và Philippines; về phía bắc trải dài đến quần đảo Ryukyu và quần đảo Ogasawara (Nhật Bản); từ Philippines và các nhóm đảo phía đông Indonesia (từ đảo Halmahera đến phía bắc Tây New Guinea), C. mertensii xuất hiện trải dài đến nhiều đảo quốc, quần đảo thuộc châu Đại Dương ở phạm vi phía đông (xa nhất là đến đảo Phục Sinh); ở phía nam, C. mertensii xuất hiện dọc theo vùng bờ biển của bang New South Wales (Úc), bao gồm cả đảo Lord Howe[1][3].

Năm 2020, trong một lần xem lại đoạn phim tài liệu thô đã được một đội ngũ làm truyền hình quay tại vùng biển thuộc quần đảo Kermadec (New Zealand) vào năm 2015, các nhà khoa học đã vô tình phát hiện ra ba loài cá mà trước đây được cho là không sống trong khu vực này, là C. mertensii, cá dọn vệ sinh Labroides dimidiatus và cá mú Epinephelus rivulatus[4][5]. Sự phát hiện này đã mở rộng phạm vi phân bố của cả ba loài về phía nam.

C. mertensii sống gần các rạn san hô viền bờ (kể cả vùng sườn dốc ở mặt trước rạn) và các rạn san hô trong các đầm phá, được ghi nhận ở độ sâu từ 10 đến 120 m[1][3].