Nach dem Medizinstudium in Göttingen folgten praktische ärztliche Tätigkeiten in verschiedenen Orten, zuletzt als Kreisarzt in Wollstein (Provinz Posen). Hier gelang ihm nach mühsamen Experimenten erstmalig, den Erreger des Milzbrandes (
Bacillus anthracis) im Jahr 1876 zu identifizieren. Koch perfektionierte die Mikroskopie, optimierte die Isolierung und Kultivierung von
Bakterien auf Nährböden (z. B. Agar-Plattenkultur) und fertigte erste Mikroskopfotografien von Mikroorganismen an. Im Jahr 1880 Berufung an das Kaiserliche Gesundheitsamt nach Berlin und 1882 Identifizierung des Tuberkelbakteriums (
Mycobacterium tuberculosis) als Erreger der damals weit verbreiteten, tödlichen
Tuberkulose. Damit gelingt der endgültige Beweis der Existenz bakterieller Krankheitserreger, der neuartige Therapiemöglichkeiten eröffnete und zu Maßnahmen der Asepsis und
Antisepsis führte. 1883 Nachweis des Pest-, 1884 des Choleraerregers (
Vibrio cholerae). Es folgten auf tropenmedizinischen Forschungsreisen die Nachweise der Erreger der
Malaria (
Plasmodien) und der Schlafkrankheit (
Trypanosoma brucei). Zu den Berliner Mitarbeitern Kochs gehörten u. a. Emil von Behring (
Behring, Emil Adolf von), Paul Ehrlich (
Ehrlich, Paul), Friedrich Löffler (1852–1915) und Georg Gaffky (1850–1918). 1905 erhält R. Koch für seine Untersuchungen den Nobelpreis für Medizin, 1910 stirbt er in Baden-Baden. Seine Urne wurde im Westflügel des
Robert Koch-Institutes (Robert-Koch-Institut) für Infektionskrankheiten beigesetzt.