Filho de um engenheiro de mineração, surpreendeu os pais aos cinco anos, dizendo-lhes que, com a ajuda dos jornais, se ensinara a ler, um feito que prenunciava a inteligência e a persistência metódica que seriam tão características dele mais tarde na vida.
Ele freqüentou a escola secundária local (“Ginásio”) e mostrou interesse na biologia e, como seu pai, um forte desejo de viajar.
Em 1862 Koch foi à Universidade de Göttingen para estudar medicina. Aqui o Professor de Anatomia era Jacob Henle e Koch foi, sem dúvida, influenciado pelo ponto de vista de Henle, publicado em 1840, que as doenças infecciosas eram causadas por organismos vivos parasitas.
Depois de conquistar seu diploma de M.D. em 1866, Koch foi para Berlim por seis meses de estudo químico e veio sob a influência de Virchow.
Em 1867 estabeleceu-se, depois de um período como assistente no hospital geral em Hamburgo, na prática geral, primeiramente em Langenhagen e logo em seguida, em 1869, em Rackwitz, na província de Posen. Aqui ele passou o Exame do seu Médico Distrital.
Em 1870, ele se ofereceu para o serviço na guerra franco-prussiana e de 1872 a 1880 foi Médico Distrital de Wollstein. Foi aqui que ele realizou as pesquisas de época que o colocaram em um passo na frente dos trabalhadores científicos.
O antraz era, na época, prevalente entre os animais de fazenda no distrito de Wollstein e Koch, embora não tivesse equipamento científico e fosse cortado inteiramente de bibliotecas e contato com outros trabalhadores científicos, embarcou, apesar das exigências feitas por ele Sua prática ocupada, em um estudo desta doença. Seu laboratório era o apartamento de 4 quartos que era sua casa, e seu equipamento, além do microscópio dado a ele por sua esposa, ele providenciou para si mesmo.
Anteriormente, o bacilo do antraz fora descoberto por Pollender, Rayer e Davaine, e Koch se propôs a provar cientificamente que esse bacilo é, de fato, a causa da doença. Ele inoculou camundongos, por meio de madeiras caseiras de madeira, com bacilos de antraz retirados dos baços de animais de fazenda que haviam morrido de antraz e descobriu que esses ratos eram todos mortos pelos bacilos, enquanto que os ratos inoculados ao mesmo tempo com O sangue dos baços de animais saudáveis não sofria da doença. Isso confirmou o trabalho de outros que mostraram que a doença pode ser transmitida por meio do sangue de animais que sofrem de antraz.
Mas isso não satisfazia Koch. Ele também queria saber se bacilos de antraz que nunca estiveram em contato com qualquer tipo de animal poderia causar a doença. Para resolver este problema obteve culturas puras dos bacilos cultivando-os sobre o humor aquoso do olho de boi. Ao estudar, desenhar e fotografar essas culturas, Koch registrou a multiplicação dos bacilos e observou que, quando as condições são desfavoráveis para eles, produzem dentro de si esporos arredondados que podem resistir a condições adversas, especialmente a falta de oxigênio e que, quando condições adequadas de Vida são restaurados, os esporos dão origem a bacilos novamente. Koch cresceu os bacilos por várias gerações nestas culturas puras e mostrou que, embora não tivessem tido nenhum contato com nenhum tipo de animal, poderiam ainda causar anthrax.
Os resultados deste laborioso trabalho foram demonstrados por Koch a Ferdinand Cohn, Professor de Botânica da Universidade de Breslau, que convocou uma reunião de seus colegas para testemunhar essa demonstração, entre os quais estava o Professor Cohnheim, Professor de Anatomia Patológica. Cohn e Cohnheim ficaram profundamente impressionados com o trabalho de Koch e quando Cohn, em 1876, publicou o trabalho de Koch no jornal botânico do qual era editor, Koch tornou-se imediatamente famoso.
Ele continuou, no entanto, a trabalhar em Wollstein por mais quatro anos e durante este período ele melhorou seus métodos de fixação, coloração e fotografar bactérias e fez mais importante trabalho no estudo de doenças causadas por infecções bacterianas de feridas, publicando seus resultados em 1878. Neste trabalho, ele forneceu, como fez com o antraz, uma base prática e científica para o controle dessas infecções.
No entanto, Koch ainda não dispunha de condições adequadas para o seu trabalho e só em 1880, quando foi nomeado membro do «Reichs-Gesundheitsamt» em Berlim, foi-lhe concedido, em primeiro lugar, um Estreita, inadequada, e mais tarde com um laboratório melhor, no qual ele poderia trabalhar com Loeffler, Gaffky e outros, como seus assistentes.
Aqui Koch continuou a refinar os métodos bacteriológicos que ele usou em Wollstein. Ele inventou novos métodos – “Reinkulturen” – de cultivar culturas puras de bactérias em meios sólidos, como a batata, e em agar mantido no tipo especial de prato plano inventado por seu colega Petri, que ainda é de uso comum. Ele também desenvolveu novos métodos de coloração de bactérias que as tornaram mais facilmente visíveis e ajudaram a identificá-las.
O resultado de todo esse trabalho foi a introdução de métodos pelos quais as bactérias patogênicas poderiam ser obtidas de forma simples e fácil em cultura pura, livres de outros organismos e pelas quais poderiam ser detectadas e identificadas.
Koch também estabeleceu as condições, conhecidas como postulados de Koch, que devem ser satisfeitas antes que possa ser aceito que determinadas bactérias causam doenças particulares.
Cerca de dois anos depois de sua chegada a Berlim, Koch descobriu o bacilo tuberculoso e também um método de cultivá-lo em cultura pura.
Ele ainda estava ocupado com o trabalho sobre tuberculose quando foi enviado, em 1883, para o Egito como Líder da Comissão Alemã de Cólera, para investigar um surto de cólera naquele país. Aqui ele descobriu o vibrio que causa o cólera e trouxe de volta culturas puras da mesma para a Alemanha. Ele também estudou cólera na Índia.