Роберт Кох е роден на 11 декември 1843 година в градчето Клаустал в Горен Харц. Той проявява интерес към биологията още в гимназиалните си години и през 1862 г. записва специалност медицина в университета в Гьотинген. По това време Луи Пастьор публикува знаменитите си изследвания, в които опровергава теорията за самопроизволното зараждане на живите организми от неживо вещество и разработва микробната теория за ферментацията. От своя страна Якоб Хенле в есето си "За миазмите и заразите" ("Von den Miasmen und Contagion") формулира основните идеи за това как може да се докаже, че отделните болести се предизвикват от специфични микроорганизми-възбудители. Младият Кох е силно повлиян от тези революционни за времето си идеи.
След завършване на образованието си Кох сменя няколко длъжности, а по време на Франко-пруската война бива областен отговорник по медицинските въпроси на Волщайн (днес Волинтин, Полша). Той забелязва, че в околностите на Волщайн е разпространена сибирската язва (антракс), епидемично заболяване по едрия рогат добитък и овцете, което се предизвиква от бактерията Bacillus anthracis.
След серия прецизни опити Кох установява, че единственият причинител на сибирската язва е бактерията Bacillus anthracis. Той доказва също, че епидемиологичните особености на болеста, се определят от цикъла на развитие на бактерията. Изследванията на Кох върху Bacillus anthracis доказват за първи път бактериалния произход на болестта.
Откритията на Кох му донасят веднага широка известност и през 1880 г. той става представителен съветник в Имперското отделение по здравеопазването в Берлин. През 1881 г. публикува книгата си "Методи за изучаване на патогенните организми", в която описва метод за отглеждане на микроби в твърди среди. Методът има важно значение за изолирането и изучаването на чисти бактериални култури. По това време се разгръща остра дискусия между Кох и Пастьор, чието лидерство в микробиологията Кох е разколебал с изследванията си. След като Кох публикува остро критични отзиви за изследванията на Пастьор, засягащи сибирската язва, между двамата известни учени започва остра полемика, продължила няколко години.
Най-големия си триумф Кох постига през 1882 г., когато обявява, че е успял да изолира бактерията, предизвикваща болестта туберкулоза. По това време туберкулозата е един от главните причинители на смъртност сред хората. В публикациите на Кох по проблемите на туберкулозата за първи път са очертани принципите, които след това започват да се наричат постулати на Кох. Тези принципи и до ден днешен са теоретичните основи на медицинската микробиология.
Кох прекъсва изучаването на туберкулозата, когато заминава в състава на научна експедиция за Египет и Индия със задача от немското правителство да се опита да определи причината за заболяването от холера. По време на престоя си в Индия, Кох обявява, че е изолирал микроба, предизвикващ болестта.
През 1885 г. Кох става професор в Берлинския университет и директор на току-що създадения Институт по хигиена. В същото време продължава и изследванията си на туберкулозата, като се съсредоточава върху начините за лечението на болестта. През 1890 г. той изолира така наречения туберкулин (стерилна течност, съдържаща вещества, изработвани от бацила на туберкулозата по време на развитието му), който предизвиква алергична реакция при болните от туберкулоза. Но в действителност туберкулинът не влиза в употреба при лечението на туберкулозата, тъй като не притежава особено терапевтично въздействие, а инжектирането му се съпровожда от токсични реакции, което става причина за най-остри критики. Протестите срещу използването на туберкулина стихват едва когато се разбира, че туберкулиновата проба може да се използва за диагностика на туберкулозата. Това откритие става главната причина по-късно на Кох да бъде присъдена Нобелова награда.
През 1890 г. Кох става главен лекар на Берлин и негов почетен гражданин. През 1891 получава почетна професура от Медицинския факултет на същия град и бива назначен за директор на новия Институт за инфекциозни болести.
В края на века Кох работи по чумата по добитъка в Южна Африка, където не успява да изолира причинителя, но съумява да ограничи епидемията, а след това - в Индия и Африка върху маларията, тропическата малария, трипонасомозата при добитъка и конете. Публикува редица материали, като в това число потвърждава твърденията за ефекта на хинина върху маларията. През последните години от живота си Роберт Кох достига до извода, че човешката туберкулоза и тази по добитъка не са идентични, и макар че през 1901 г. подобно твърдение предизвиква невиждани спорове, в днешни дни е доказана неговата правдивост. Работи и по тифа, където предположенията му, че болестта се разпространява по-ефективно от заразени водоизточници, отколкото от човек на човек, води до нови мерки за нейното ограничаване.
През 1904 г. немецът продължава работата си е Източна Африка, където прави важни открития, свързани с патогенните видове Babesia и Trypanosoma, а през 1906 г. изследванията му върху човешката трипанозомиаза довеждат до откритието на ефективно лекарство - атоксилът. До края на живота си, Роберт Кох продължава експериментите си в областта на бактериологията и серологията.
Кох е носител на безбройни отличия. Почетен доктор е на университетите в Хайделберг и Болоня, почетен гражданин на родния си Клаустал, Берлин и Волщайн, почетен член на академичните общества в Берлин, Виена, Позен, Перуджа, Наполи и Ню Йорк. Носител на немския Орден на Короната, на Големия кръст на ордена на Червения орел - където е първият медик, получавал подобно отличие - както и на почетни медали от царска Русия и Турция, и дори посмъртно е награждаван от няколко страни. Но безспорно най-високото отличие, което получава, е Нобеловата награда за физиология и медицина през 1905 година.
Доктор Кох умира на 27 май 1910 г. в Баден-Баден, на шестдесет и седем годишна възраст.
