Als Soldat im Ersten Weltkrieg mit den Grauen des Krieges konfrontiert, tritt der promovierte Volkswirt Carlo Mierendorff dem Reichsbanner bei. Zunächst als wissenschaftspolitischer Mitarbeiter für eine Gewerkschaft tätig, wird der Sozialdemokrat später Sekretär der SPD-Reichstagsfraktion und anschließend Pressereferent des Hessischen Innenministers Wilhelm Leuschner.

1928 erhält er ein Mandat für den Reichstag und wird damit jüngster Abgeordneter seiner Fraktion. Insbesondere durch seine scharfen Erwiderungen auf eine Schmährede des NSDAP-Abgeordneten Joseph Goebbels im Februar 1931 profiliert er sich auch dort als erbitterter Gegner der NSDAP.

Als 1931 geheime Pläne der NSDAP für eine gewaltsame Machtübernahme aufgedeckt werden, trägt Mierendorff in seiner Funktion als Pressereferent in erheblichem Umfang dazu bei, diese Pläne zu veröffentlichen. Gemeinsam mit dem sowjetischen Wissenschaftler Sergej Tschachotin etabliert er 1932 das Zeichen der „Drei Pfeile“ als republikanisches Symbol der Eisernen Front gegen das Hakenkreuz der NSDAP.

Von den Nationalsozialisten 1933 festgenommen, muss er mehrere Jahre lang die Haft in Konzentrationslagern und Gestapo-Gefängnissen über sich ergehen lassen. Nach seiner Freilassung findet er Kontakt zur Widerstandsgruppe Kreisauer Kreis und wirkt dort, trotz Überwachung durch die Gestapo, gegen die nationalsozialistische Diktatur. Seine Pläne, unterschiedliche Widerstandsbewegungen zusammenzuführen, finden ein jähes Ende: Er stirbt während eines alliierten Bombenangriffs.