Il fonda la bactériologie médicale moderne, isola plusieurs bactéries pathogènes, dont celle de la tuberculose et découvrit les vecteurs animaux de plusieurs autres maladies importantes.
Né à Clausthal-Zellerfeld, le 11 décembre 1843, Koch s'inscrivit à l'université de Göttingen en 1862, où il étudia la botanique, la physique et les mathématiques, et commença sa carrière médicale.
Ses activités professionnelles ne l'empêchèrent pas de s'intéresser à l'archéologie, à l'anthropologie, aux maladies professionnelles telle que l'intoxication par le plomb (saturnisme) et à la toute récente bactériologie.

La première découverte majeure de Koch en bactériologie se produisit dans les années 1870, lorsqu'il démontra que la maladie infectieuse connue sous le nom d'anthrax ne se développait chez les souris que si la substance pathogène injectée dans le système sanguin de la souris contenait des bacilles ou spores viables de Bacillus anthracis. L'isolement du bacille par Koch fut d'une importance capitale, car c'était la première fois que l'agent d'une maladie infectieuse était réellement identifié. Il devint alors clair que les maladies infectieuses ne sont pas provoquées par des substances mystérieuses mais par des micro-organismes spécifiques, en l'occurrence, des bactéries.
Koch montra aussi comment l'investigateur doit travailler avec ces micro-organismes, comment les prélever sur des animaux infectés, comment en faire la culture et comment les détruire. Il révéla ses observations au grand pathologiste allemand Julius Friedrich Cohnheim et à ses collaborateurs, dont l'un était le bactériologiste Paul Ehrlich, fondateur de l'immunologie.

En 1881, il entreprit ses études sur la tuberculose et, l'année suivante, il annonça qu'il avait isolé le bacille responsable de cette grave maladie. Les conclusions de Koch furent confirmées par des chercheurs du monde entier. Cette découverte fit progresser le diagnostic en révélant la présence des bacilles dans les sécrétions des malades, en particulier dans les crachats.

Koch focalisa alors son attention sur le choléra, lors d'une épidémie terrible en Inde où il se rendit en 1831. Il identifia le bacille à l'origine de la maladie et découvrit qu'il se transmet à l'homme principalement par l'eau. Koch voyagea ensuite en Afrique, où il étudia les causes des maladies transmises par les insectes.
En 1891, Koch devint directeur de l'Institut des maladies infectieuses de Berlin (Institut qui désormais porte son nom), qui avait été créé pour la recherche médicale spécialisée !
En 1905, il reçut le prix Nobel de physiologie ou médecine.
Le 27 mai 1910, il mourut dans la station thermale allemande de Baden-Baden.