Работа над преемником модели w163 началась ещё в 1999 году. Первая информация о w164 появилась в июле 2001 года. Тогда в прессу просочилась информация, что этот автомобиль произведет фурор в классе внедорожников - он должен будет оснащаться как системами регулирования дорожного просвета (AirMatic, как опция - ABC), так и системой SBC активных тормозов (от которой к моменту выпуска модели уже решили отказаться).

К концу 2001 года были завершены работы по проекту дизайна автомобиля, над которым трудился Стив Маттин под строгим руководством Петера Пфайффера. Окончательно все документы были утверждены исполнительным советом компании в 2002 году. Патенты на промышленные образцы были поданы в Германии 10 июня 2003 года, а в США — 25 июля. Тестирование прототипа проводилось на протяжении 2003 и 2004 годов и завершилось в начале 2005 года. Всего на создание второго поколения M-класса было потрачено около 6 лет. Концерн DaimlerChrysler инвестировал значительные средства в собственный завод в городе Тускалуса (Алабама): более 600 миллионов долларов были предназначены для сборочных линий автомобилей W164 и R-класса, который компания планировала представить в следующим году.

В ноябре 2001 журнал Auto-Zeitung опубликовал шпионские фото первого ходового образца. Тогда же было сообщено, что автомобиль появится в 2004 на американском рынке и в 2005 на европейском. В феврале 2004 журнал AutoBild поймал закамуфлированный w164 на заправке в Штутгарте.

Дебют W164 модели состоялся на Североамериканском международном автосалоне в январе 2005 года. В сравнении с первым поколением автомобиль был полностью модернизирован: он стал на 71 мм шире, на 150 мм длиннее и на 5 мм ниже, чем его предшественник, а благодаря кропотливой работе над кузовом коэффициент лобового сопротивления снизился с 0,40 у первого поколения до 0,34. Колёсная база также увеличился на 95 мм составив 2915 мм. Качество конструкции повысилось за счёт применения полностью оцинкованного кузова с дополнительной защитой от коррозии при помощи органического покрытия в определённых точках и больших пластиковых панелей, установленных на днище. Платформа, которую использовали для сборки W164, была разделена новым GL-классом и отличалась цельностью компонентов, в отличие от предшествующей модели (W163).

Начало серийного производства было назначено на 03.01.2005 года. К лету 2005 первые машины получили и первые европейские покупатели. Первоначально на конвейер встали модели ML350 (с новым бензиновым двигателем М272), ML500 (пока со старым мотором М113) и ML320CDI с новым дизелем ОМ642 (V6). Чуть позже обещали эконом-версию ML280CDI и "чумовую" ML420CDI с новым V8-дизелем ОМ629 (3-й квартал 2005). Весной 2005 также был обещан ML63AMG с новым М156. В 2006 году обещали ML500 с двигателем М273. Все машины снабжались новыми АКПП 7G-Tronic 722.9.
14.12.2004 первый серийный образец типа 164 сошел с конвейера номер 2 завода в Тускалузе, штат Алабама, США. Как и писалось выше, полностью конвейер заработал 3 января 2005 года.
На Женевском автосалоне 23.02.2005 года состоялось представление нового автомобиля и Европейской публике (одновременно с В-классом).

В середине февраля 2005 года Мерседес представил AMG-StylingPaket для типа 164. В продаже он появился в марте 2005 и стоил 3364 Евро плюс 2320 Евро за колесные диски от AMG (для моделей V6) и 1566 Евро (если для модель с мотором V8).
3 марта 2005 началась официальная продажа w164 в Европе. Для немецких покупателей была установлена цена за ML 280 CDI (начиная с 4 квартала 2005) 46.342 EUR, за ML 320 CDI (с августа 2005) 48.662 EUR, за ML 350 (с 2 июля 2005) 47.966 EUR и за ML 500 (со 2 июля 2005) 63.220 EUR. Все дизельные модели в обязательном порядке комплектуются сажевым фильтром.

В конце 2005 w164 прошел первый официальный краш-тест по стандарту NCAP, который провело американское агенство NHTSA. По всем критериям автомобиль получил пять звезд, кроме опасности опрокидывания (4 звезды, что для высокого внедорожника более чем роскошный результат).

В конце 2006 года еще одно агенство, IIHS провело свой краш-тест типа ML500. По всем показателям пятерка. Только при боковом ударе отмечены повышенные нагрузки на шею водителя, но все в пределах 5 звезд.

Eще в августе 2005 Мерседес представил официальную информацию о подготовке к производству варианта ML63AMG, который после официальной премьеры на 61-й выставке во Франкфурте-на-Майне 17 августа 2005 года обещали первым клиентам во 2-м квартале 2006 года. Заказы на этот автомобиль стали принимать 14 января 2006 года. Минимальная цена 96164 Евро (включая НДС). Всего до прекращения производства в 2011 году было продано 13000 экземпляров ML63AMG.

В январе 2007 начали принимать заказы на ML500 с новым мотором М273 (одновременно с 251 и 221), первые машины заказачики получили в июне 2007 года. Эти машины, как и ML420CDI в стандарте комплектуются подвеской AirMatic, 19"- дисками, климат-контролем Thermotronic, автоматически затемняемыми зеркалами и многими другими опциями.

В период с конца 2007 и середины 2008 года существовала специальная версия W164 под названием Edition 10 ("10-е издание"). Серия, состоящая из 5-и моделей (ML 420 CDI 4MATIC, ML 280 CDI, ML 320 CDI, ML 350, ML 500), посвящена десятой годовщине M-класса. В число отличий от стандартной модели входят: 20-дюймовые легкосплавные диски серебряного цвета, затемнённые корпуса для передней оптики и противотуманных фар, оформление переднего и заднего бампера, а также решётки радиатора под титан, сдвоенные выхлопные трубы квадратной формы, тонированные стёкла, отделка хромом, биксеноновые фары, интерьер с двухцветной (чёрный и бежевый) полной кожаной отделкой, спортивные приборы, педали из нержавеющей стали, шильдики и коврики с указанием особой серии.
Заказы на автомобиль компания начала принимать с осени 2007 года.

19 октября 2007 года 250000-й автомобиль типа 164 был передан покупателю, а 28 ноября того же года с конвейера сошел миллионный автомобиль, собранный на американской площадке, завод Tuscaloosa, Alabama.

Рестайлинговая версия автомобиля была представлена в марте 2008 года на международном автосалоне в Нью-Йорке. В продаже у дилеров модель стала доступна с осени 2008 года. Изменения во внешнем виде коснулись бамперов и передней оптики, решётки радиатора (она была увеличена в размерах и оснащена хромированными вставками по краям). Задняя часть кузова получила видоизменённые бампер с интегрированными отражателями и фонарь заднего хода, а также тонированные стёкла оптики. Рейлинги на крыше и большие наружные зеркала были установлены в качестве стандартного оборудования. В салоне появилось новое многофункциональное рулевое колесо с хромированной отделкой в дизайне с четырьмя спицами, обтянутыми кожей. Дверная фурнитура была покрыта искусственной кожей, а на заказ можно было установить сиденья с четырёхуровневой поясничной поддержкой. Кроме того, M-класс в стандартной комплектации оснастили системой упреждающей защиты водителя и пассажиров PreSafe и особыми подголовниками NeckPro.
Изменения также коснулись и модельного ряда, хоть и незначительно: обновилась дизельная модель ML 420 CDI, ML 280 CDI переименовали в ML 300 CDI, ML 320 CDI в ML 350 CDI, а ML 420 CDI стал именоваться как ML 450 CDI. Все M-классы в стандартной комплектации по-прежнему оснащены полным приводом и семиступенчатой автоматической трансмиссией 7G-Tronic.

Модернизация также затронула и высокопроизводительную версию ML63 AMG, сделав его внешний вид ещё более внушительным и агрессивным. Автомобиль оснастили широкопрофильными шинами размерностью 295/40 R20, а по заказу — и вовсе 295/35 R21. Силовой агрегат остался без изменений.

В 2008 и 2009 годах в серию добавились модели, использующие технологию BlueTEC со впрыском мочевины для дизельных силовых агрегатов.

На международном автосалоне в Нью-Йорке 2009 года компания Mercedes-Benz представила новый ML 450 Hybrid SUV, который был анонсирован 8 апреля того же года. Автомобиль оснастили несколькими двигателями: одним классическим ДВС и двумя электродвигателями, встроенными в корпус коробки передач и выполняющих разные задачи. Первый электромотор расположен ближе к двигателю внутреннего сгорания и предназначен для повышения производительности. Второй размещён на выходе редуктора и предназначен для трогания (исключительно на электрике) и ускорения. Для обслуживания всех двигателей были установлены три планетарные передачи и четыре муфты, которые управляется электронным блоком управления. Новая модель потребляла почти на 50% меньше топлива, чем ML 550. При этом суммарная мощность достигала 335 л.с. (250 кВт), а крутящий момент составлял 517 Н·м. Расход топлива новой модификации в соответствии с замерами Агентства по охране окружающей среды США составлял 9.8 литра на 100 км по трассе и 11 литров по городу.

С мая 2010 года до остановки производства в июне 2011 года выпускалась специальная модель Grand Edition. Изменения относительно стандартной модели включали светодиодные фары дневного света, 19-дюймовые легкосплавные диски в Y-спицевом дизайне, тонированные теплоизоляционные стёкла, затемнённые фары и задние фонарии, а также решётку радиатора в стиле AMG. Кроме того, данная модель имела защиту алюминиевого днища спереди и сзади. На заказ можно было установить 20-дюймове диски.
В интерьере специального издания Mercedes Benz присутствует деревянная отделка из высококачественного тополя и чёрная крыша. В салоне установлена фирменная подсветка, освещающая обивку из искусственной кожи Artico. AMG спортивное рулевое колесо в коже с подрулевыми переключателями, спортивные педали из матовой нержавеющей стали с резиновыми вставками и стальные панели на выходных дверях завершают уникальный вид данной серии.
Модельный ряд специального издания включает ML 300 CDI 4MATIC BlueEFFICIENCY, ML 350 CDI 4MATIC, ML 350 BlueTEC 4MATIC, ML 450 CDI 4MATIC, ML 350 4MATIC и ML 500 4MATIC. Стартовая цена на автомобиль составляла 42 100 евро.

Производство второго поколения M-класса завершилось в 2011 году, а на смену ему пришла серия w166.