Robert Koch wurde am 11. Dezember 1843 in Clausthal im Harz als das dritte von 13 Kindern geboren. Sein Vater war im Bergbau beschäftigt. Er kam bereits mit knapp 4,5 Jahren zur Schule, wo er bereits in diesem Alter starke Neigung zu den Naturwissenschaften und den neuen Sprachen zeigte.

Robert Koch machte das Abitur und studierte an der Universität in Göttingen. Hier studierte er zunächst Naturwissenschaften, weil er Pädagoge werden sollte, wechselte aber bald zur Medizin über.  Nebenbei begann er, wissenschaftlich zu arbeiten,  und erhielt als 21jähriger den Preis der Medizinischen Fakultät. 1866 bestand Koch das Staatsexamen in Hannover. Koch war danach als Arzt in verschiedenen Praxen tätig. Hamburg, Langenhagen, Niemegk, Rakwitz sind als Zwischenstationen einzustufen. In demselben Jahr wurde Robert Koch Assistenzarzt in Hamburg. Dort starben zu dieser Zeit viele Menschen an Cholera.

1870/71 ging er als ziviler Kriegsarzt an die Front. Nach dem Krieg 1870/71 und bestandenem Physikatsexamen wurde er Kreisphysikus in Wollstein im Kreis Posen.Dort begann seine Forschertätigkeit. 

Zu dieser Zeit wütete der Milzbrand unter den Viehherden in ganz Europa, und viele Tiere starben daran. Dieser Krankheit wollte Robert Koch auf den Grund gehen. Er sparte Geld für ein Mikroskop und untersuchte gestorbene Tiere. In mühsamen Experimenten gelang es ihm so, den Erreger einer Infektionskrankheit zum ersten Mal nachzuweisen. Er fand Millionen von Milzbrandbazillen, die in langen Ketten oder zusammengeballt den ganzen Körper des Tieres verstopften. Auch nach jahrelanger Ruhe waren die Sporen dieses Bazillus fähig, neue Milzbrandbazillen zu entwickeln. Robert Koch gelang es, den Sporenbildner außerhalb des erkrankten Säugetierorganismus zu züchten und zu übertragen. Mit dieser Erkenntnis, die von namhaften Professoren der Breslauer Schule (Cohn, Cohnheim) akzeptiert wurde, war sowohl der Schlüssel zur Bakteriologie gefunden als auch ein Schritt zur vergleichenden Medizin vollzogen.

1876 veröffentlichte Koch seine Forschungsergebnisse an der Universität in Breslau. Kochs Arbeit über "Die Ätiologie der Milzbrandkrankheit" erschien 1876 in den „Beiträgen zur Biologie der Pflanzen“. 1878 folgten die "Neuen Untersuchungen über die Mikroorganismen bei infektiösen Wundkrankheiten" und die "Untersuchungen über die Ätiologie der Wundinfektionskrankheiten". Seine Erfolge führten Robert Koch dazu, weitere Forschungen im Bereich der Wundinfektionen zu betreiben. Es gelang Koch, verschiedene Bakterien mit unterschiedlichen Farben einzufärben, damit man sie sehen konnte. Dadurch entdeckte er, dass das Operationsbesteck oft nicht keimfrei war und so kamen viele Menschen bei der Operation mit Bakterien in Berührung, was zum Tod führen konnte.

Als Robert Koch seine Stelle als Regierungsrat in Berlin antrat, war er 38 Jahre alt.  Als Regierungsrat am Kaiserlichen Gesundheitsamt hatte Robert Koch die Möglichkeit, zusammen mit vielen Assistenten weitere Untersuchungen durchzuführen. Koch setzte in Berlin fort, was er in Wollstein begonnen hatte, jetzt freilich unter ganz anderen Bedingungen. Denn nun standen ihm Mitarbeiter zur Seite. Neben den Untersuchungen von pathogenen Organismen widmete sich Koch in diesen ersten Jahren vor allen Dingen der Frage der Desinfektion und Sterilisation. Neben der Entwicklung der Anästhesiologie wurde für die Chirurgie vor allen Dingen die Entwicklung der Antiseptik und Aseptik von Bedeutung.

Entscheidende Leistungen zur bakteriologischen Methodik wurden vollbracht: Fixierung von Mikroorganismen, Mikrofotografie, feste und zugleich durchsichtige Nährmedien, Verbesserung der Mikroskopiertechnik. 1882 gelang die Entdeckung des Erregers der Tuberkulose, einer seuchenhaft auftretenden Krankheit. Es folgen die Expeditionen nach Ägypten, Indien, Süd- und Ostafrika, Italien - insgesamt 7,5 Jahre verbrachte R. Koch im Ausland, vor allem in den Tropen. All diese Reisen waren mit aufsehenerregenden Entdeckungen von Infektionskrankheiten bei Mensch und Tieren verbunden: auf den Gebieten der Cholera, der Blutparasitosen, der Pest. Der Grundstein für die Tropenmedizin wurde gelegt.

Es gelang ihm 1882, den Tuberkelbazillus nachzuweisen. Dies war der Höhepunkt seiner wissenschaftlichen Laufbahn. Auch die Erreger von Diphtherie und Typhus wurden von seinen Assistenten erforscht. Expeditionen führten ihn durch die ganze Welt. In Indien fand er den Cholerabazillus und bekämpfte ihn durch die Reinhaltung des Trinkwassers.

1885 war Robert Koch an die Berliner Universität als Professor für Hygiene berufen. 1891 wurde er Direktor des Institutes für Infektionskrankheiten, das für ihn errichtet worden war und später den Namen Robert-Koch-Institut erhielt. Sein Ruhm ging durch die ganze Welt. Die Preußische Königliche Akademie der Wissenschaften berief ihn 1904 zum Ordentlichen Mitglied. 1910 hielt er seinen Vortrag "Epidemiologie der Tuberkulose", es war sein letzter Vortrag.  1905 wurde ihm der Nobelpreis für Medizin verliehen. Koch starb am 27. Mai 1910 in Baden-Baden.

Robert Koch und seine Schüler schufen ein Werk, das eine Basis sowohl für die vergleichende Medizin einerseits als auch für die gegenwärtigen molekularbiologischen Forschungen auf dem Gebiet der Infektiologie andererseits darstellt. Unüberschaubar sind die Ehrungen Robert Kochs. Seine Japan-Reise (1908) glich einem Triumphzug. Straßen, Plätze, Münzen, Medaillen, Briefmarken, Stiftungen, Preise und Institute tragen seinen Namen. Allein in Berlin gibt es zwei Gedenkstätten: im Institut für Mikrobiologie und Hygiene der heutigen Humboldt-Universität und im Robert-Koch-Institut des Bundesgesundheitsamtes, dort befindet sich auch seine letzte Ruhestätte - das Robert-Koch-Mausoleum, gestiftet von seinen Schülern und Mitarbeitern. Aus Spenden der Bevölkerung wurde ihm nach seinem Tode ein Denkmal errichtet.