Robert Koch se narodil 11. prosince 1843 v Clausthalu v pohoří Horní Harz . Syn důlního inženýra ohromil své rodiče ve věku pěti let tím, že jim řekl, že se pomocí novin naučil číst, což je čin, který předznamenává inteligenci a metodickou vytrvalost, které měly být tak charakteristické v pozdějším životě. Navštěvoval místní střední školu („gymnázium“), kde projevil zájem o biologii a stejně jako jeho otec měl silné nutkání cestovat.
V roce 1862 odešel Koch studovat medicínu na univerzitu v Göttingenu. Zde byl profesorem anatomie Jacob Henle a Koch byl bezpochyby ovlivněn názorem Henle, publikovaným v roce 1840, že infekční nemoci jsou způsobeny živými parazitickými organismy. Poté, co v roce 1866 získal titul M.D., odešel Koch na šest měsíců chemického studia do Berlína a tam se dostal pod vliv Virchowa. V roce 1867 se usadil, po období asistenta Všeobecné nemocnice v Hamburku, v praxi, nejprve v Langenhagenu a brzy poté, v roce 1869, v Rackwitz v provincii Posen. Zde složil zkoušku okresního lékaře. V roce 1870 se přihlásil do služby ve francouzsko-pruské válce a v letech 1872 až 1880 byl okresním lékařem ve Wollsteinu. Právě zde provedl epochální výzkumy, které ho v jednom kroku postavily na přední místo vědeckých pracovníků.
Anthrax byl v té době převládající mezi hospodářskými zvířaty v okrese Wollstein a Koch, i když neměl žádné vědecké vybavení a byl zcela odříznut od knihoven a kontaktu s jinými vědeckými pracovníky, se navzdory požadavkům, které na něj kladla jeho rušná praxe, pustil do studia této nemoci. Jeho laboratoří byl čtyřpokojový byt, který byl jeho domovem, a jeho vybavení si kromě mikroskopu, který mu dala jeho manželka, zajišťoval sám. Dříve byl antraxový bacil objeven Pollenderem, Rayerem a Davainem a Koch se rozhodl vědecky dokázat, že tento bacil je ve skutečnosti příčinou nemoci. Naočkoval myši pomocí domácích dřevěných kousků dřeva bacilem antraxu odebraným ze slezin hospodářských zvířat, která na antrax zemřela, a zjistil, že všechny tyto myši byly bacily zabity, zatímco myši byly inokulovány současně krev ze slezin zdravých zvířat touto nemocí netrpěla. To potvrdilo práci ostatních, kteří prokázali, že nemoc lze přenášet pomocí krve zvířat trpících antraxem.
To však Kocha neuspokojilo. Chtěl také vědět, zda bacily antraxu, které nikdy nebyly v kontaktu s jakýmkoli druhem zvířete, mohou způsobit onemocnění. Aby tento problém vyřešil, získal čisté kultury bacilů jejich pěstováním na komorové vodě oka vola. Studiem, kreslením a fotografováním těchto kultur Koch zaznamenal rozmnožování bacilů a poznamenal, že když jsou pro ně nepříznivé podmínky, produkují v sobě zaoblené výtrusy, které odolávají nepříznivým podmínkám, zejména nedostatku kyslíku, a že pokud jsou vhodné podmínky život je obnoven, výtrusy opět způsobují vznik bacilů. Koch pěstoval bacily po několik generací v těchto čistých kulturách a ukázal, že ačkoliv neměli kontakt s žádným druhem zvířete, stále mohou způsobovat antrax.
Výsledky této pečlivé práce prokázal Koch Ferdinandu Cohnovi, profesoru botaniky na univerzitě ve Vratislavi, který svolal setkání svých kolegů, aby byli svědky této demonstrace, mezi nimiž byl profesor Cohnheim, profesor patologické anatomie. Na Cohna i Cohnheima Kochova práce hluboce zapůsobila, a když Cohn v roce 1876 publikoval Kochovu práci v botanickém časopise, jehož byl redaktorem, Koch se okamžitě proslavil. Pokračoval v práci ve Wollsteinu další čtyři roky a během tohoto období zdokonalil své metody fixace, barvení a fotografování bakterií a dále pracoval na studiu nemocí způsobených bakteriálními infekcemi ran a své výsledky publikoval v 1878. V této práci poskytl, stejně jako u antraxu, praktický a vědecký základ pro kontrolu těchto infekcí.
Koch však stále nebyl bez adekvátních prostor či podmínek pro svou práci a to teprve v roce 1880, kdy byl jmenován členem „Reichs-Gesundheitsamt“ (Imperial Health Bureau) v Berlíně, mu byla poskytnuta nejprve úzká a nedostatečná místnost a později lepší laboratoř, v níž mohl pracovat s Loefflerem, Gaffkym a dalšími jako jeho asistenti. Zde Koch pokračoval ve zdokonalování bakteriologických metod, které použil u Wollsteina.Vynalezl nové metody – „Reinkulturen“ – pěstování čistých kultur bakterií na pevných médiích, jako jsou brambory, a na agaru uchovávaném ve speciálním druhu ploché misky, kterou vynalezl jeho kolega Petri a která se stále běžně používá. Vyvinul také nové metody barvení bakterií, díky nimž byly lépe viditelné a pomohly je identifikovat. Výsledkem celé této práce bylo zavedení metod, pomocí kterých lze snadno a snadno získat patogenní bakterie v čisté kultuře bez jiných organismů a pomocí nichž je lze detekovat a identifikovat. Koch rovněž stanovil podmínky známé jako Kochovy postuláty, které je třeba splnit, než bude možné připustit, že určité bakterie způsobují určité nemoci.
Asi dva roky po svém příchodu do Berlína objevil Koch tuberkulózní bacil a také způsob pěstování v čisté kultuře. V roce 1882 vydal své klasické dílo o tomto bacilovi. Stále byl zaneprázdněn prací na tuberkulóze, když byl v roce 1883 poslán do Egypta jako vůdce německé komise pro choleru, aby vyšetřil vypuknutí cholery v této zemi. Zde objevil vibrio, které způsobuje choleru, a přivedl zpět její čisté kultury do Německa. Studoval také choleru v Indii.
Na základě svých znalostí biologie a způsobu distribuce cholerového vibria formuloval Koch pravidla pro kontrolu epidemií cholery, která byla schválena velmoci v r. Drážďany v roce 1893 a tvořily základ metod řízení, které se používají dodnes. Jeho práce týkající se cholery, za kterou mu byla udělena cena 100 000 německých marek, měla také významný vliv na plány zachování vodních zdrojů.
V roce 1885 byl Koch jmenován profesorem hygieny na univerzitě Berlína a ředitel nově založeného Ústavu hygieny na tamní univerzitě. V roce 1890 byl jmenován generálem chirurga (Generalarzt) třídy I a Freemanem města Berlína. V roce 1891 se stal čestným profesorem na lékařské fakultě v Berlíně a ředitelem nového Ústavu pro infekční nemoci, kde měl to štěstí, že měl mezi svými kolegy i muže jako Ehrlich, von Behring a Kitasato, kteří sami učinili velké objevy.
Během tohoto období se Koch vrátil k práci na tuberkulóze. Snažil se chorobu zatknout pomocí přípravku, který nazýval tuberkulin, vyrobený z kultur tuberkulózních bacilů. Udělal dva přípravky tohoto druhu zvané starý a nový tuberkulin a jeho první komunikace o starém tuberkulinu vzbudila značnou polemiku. Léčivá síla, kterou Koch pro tento přípravek požadoval, byla bohužel značně přehnaná, a protože se nenaplnily naděje, které vyvstaly, šel názor proti němu a proti Kochovi. Nový tuberkulin byl oznámen Kochem v roce 1896 a jeho léčebná hodnota byla také zklamáním; ale přesto to vedlo k objevu látek diagnostické hodnoty. Zatímco tato práce na tuberkulinu pokračovala, jeho kolegové z Institutu pro infekční nemoci von Behring, Ehrlich a Kitasato provedli a publikovali své epochální práce na imunologii záškrtu (viz biografie Ehrlicha a von Behringa).
V roce 1896 odešel Koch do Jižní Afriky studovat původ moru skotu, a přestože nezjistil příčinu této nemoci, podařilo se mu omezit její propuknutí injekcí do zdravé farmy-zásoby žluči ze žlučníků infikovaných zvířat. Poté následovala práce v Indii a Africe týkající se malárie, horečky černé vody, surry skotu a koní a moru a zveřejnění jeho pozorování o těchto chorobách v roce 1898. Brzy po svém návratu do Německa byl poslán do Itálie a do tropů, kde potvrdil práci sira Ronalda Rosse v malárii a provedl užitečnou práci na etiologii různých forem malárie a jejich kontrole chininem.
Během těchto pozdějších let svého života dospěl Koch k závěru, že bacily, které způsobovaly lidskou a bovinní tuberkulózu, nejsou totožné a jeho prohlášení o tomto pohledu na Mezinárodním lékařském kongresu o tuberkulóze v Londýně v roce 1901 vyvolalo mnoho kontroverzí a opozice; nyní je však známo, že Kochův názor byl správný. Jeho práce na tyfu vedla k myšlence, pak nové, že tato nemoc se přenáší mnohem častěji z člověka na člověka než z pitné vody, což vedlo k novým kontrolním opatřením.
V prosinci 1904 Koch byl poslán do německé východní Afriky, aby studoval horečku dobytka na východním pobřeží, a učinil důležitá pozorování nejen o této nemoci, ale také o patogenních druzích Babesia a Trypanosoma a o klíšťové spirochaetóze, přičemž po návratu domů pokračoval v práci na těchto organismech .
Koch byl držitelem mnoha cen a medailí, čestných doktorátů na univerzitách v Heidelbergu a Bologni, čestných občanství Berlína, Wollsteinu a jeho rodného Clausthala a čestného členství v učených společnostech a akademiích v Berlíně ve Vídni , Posen, Perugia, Neapol a New York. Byl vyznamenán německým řádem koruny, velkokřížem německého řádu červeného orla (poprvé byl tento vysoký rozdíl oceněn lékařem) a řády z Ruska a Turecka. Dlouho po jeho smrti byl posmrtně poctěn památníky a jinými způsoby v několika zemích.
V roce 1905 mu byla udělena Nobelova cena za fyziologii nebo medicínu. V roce 1906 se vrátil do střední Afriky, aby pracoval na kontrole lidské trypanosomiázy, a tam uvedl, že atoxyl je proti této nemoci stejně účinný jako chinin proti malárii. Poté Koch pokračoval ve své experimentální práci o bakteriologii a sérologii.
V roce 1866 se Koch oženil s Emmy Fraatsovou. Porodila mu jeho jediné dítě Gertrud (nar. 1865), které se stalo manželkou Dr. E. Pfuhla. V roce 1893 se Koch oženil s Hedvigou Freibergovou.
Dr. Koch zemřel 27. května 1910 v Baden-Badenu.