.NET использует QuickSort. Вы можете использовать Reflector для просмотра реализации в System.Collections.Generic.ArraySortHelper
В большинстве случаев QuickSort будет работать быстрее, чем MergeSort, хотя в худшем случае время выполнения будет больше. Я думаю, что в стандартную QuickSort также были внесены некоторые улучшения, но я не уверен, что какой-либо из них используется.
Кажется, я помню, что STL тоже использовал QuickSort, но я не совсем уверен.