Der W 154 ist nach dem Reglement der 1938 eingeführten 3-l-Formel konzipiert. Sie begrenzt den Hubraum und löst die 750-kg-Formel ab, die das Fahrzeug-Gewicht beschränkte. In seiner ersten Saison gewinnt der W 154 sechs von neun Grand-Prix-Rennen und erringt drei Dreifachsiege. Mit ihm sichert sich Rudolf Caracciola seine dritte Europameisterschaft.
Im Laufe der 30er-Jahre werden die Grand-Prix-Boliden immer schneller, die Rennen immer gefährlicher. 1938 führt deshalb der Internationale Automobilverband die neue 3-Liter-Formel ein, die den Hubraum der Rennwagen beinahe halbiert. Die Silberpfeile bremst diese Maßnahme jedoch nicht: Der neue 3-Liter-Motor ist mit 450 PS außerordentlich leistungsstark, und dank besserer Straßenlage ist der W 154 im Rennen fast ebenso schnell wie sein Vorgänger. Rudolf Uhlenhaut, technischer Leiter der Rennabteilung, hat einen aufgeladenen V12-Motor schräg in das leicht gekürzte Chassis des Vorgängermodells W 125 eingebaut. So kann er den Fahrer neben statt über der Antriebswelle positionieren. Das Ergebnis ist ein extrem niedriger Schwerpunkt: Mit Ausnahme der Nackenstütze liegt die Karosserie sogar unterhalb der Reifenoberkante. Der W 154 klebt geradezu auf der Straße und fährt der Konkurrenz auf und davon. Mercedes-Benz gewinnt 1938 sechs von neun Grand-Prix-Rennen. Rudolf Caracciola wird zum dritten Mal Europameister.
Ein Jahr später fährt der Silberpfeil mit einem neuen, noch leistungsstärkeren Motor fünf weitere Siege ein. Hermann Lang löst „Carratsch“ als erfolgreichster Fahrer ab. Autorennen werden nicht nur auf der Rennpiste entschieden. Ebenso wichtig für den Erfolg des Mercedes-Benz W 154 war der Boxenstopp. Hier wartete ein eingespieltes Team auf die Silberpfeile, das in wenigen Sekunden die Räder wechselte oder dem Fahrer die Rennbrille putzte. Die Männer mussten das Fahrzeug auch nachtanken, ein besonders wichtiger Punkt. Auf den über 500 Kilometer langen Grand-Prix-Strecken waren die Rennsportwagen extrem durstig. In einem Rennen verbrauchte der W 154 bis zu 750 Liter Benzin. Da jeder Boxenstopp Zeit kostet, durften die Silberpfeile aber nur einmal tanken. Deshalb mussten die Ingenieure eine enorme Menge Benzin im Wagen unterbringen, nämlich 380 Liter. Sie lösten das Problem mit zwei Tanks: einen hinten im Heck und einen zweiten vor der Instrumententafel über den Beinen des Fahrers. Die Rechnung ging auf. Der W 154 gewann im Jahr 1938 sechs von neun Rennen.