Começa a carreira como assistente do hospital de Hamburgo e trabalha em Hanôver e na Posnânia, onde passa a estudar as doenças infecciosas como médico distrital. O cargo permite-lhe dedicar-se aos estudos bacteriológicos. Em 1880 inicia pesquisas sobre a tuberculose.
Dois anos depois descobre o bacilo causador da doença, que recebe seu nome. Em 1885 assume a cátedra de higiene da Universidade de Berlim, criada especialmente para ele. No mesmo ano desenvolve a tuberculina, primeiro remédio para o tratamento do mal do século.
Financiado pelo governo alemão, funda em seguida o Instituto de Doenças Infecciosas e um hospital anexo. Dedica-se a pesquisas sobre várias doenças humanas e animais, como a hanseníase, a peste bubônica e a malária. Em 1905 recebe o Prêmio Nobel de Medicina. Morre em Baden-Baden.