Σπούδασε Ιατρική στο Goettingen και εγκαταστάθηκε στη Σηλεσία (τώρα Πολωνία) όπου ως νομίατρος άρχισε τις ερευνητικές εργασίες του στον τομέα της Μικροβιολογίας, με την καλλιέργεια αποικιών βακτηριδίων. Το 1876 ανακάλυψε το βάκιλο της σπλήνας, με τον οποίο απέδειξε ότι το αίτιο για τις μολυσματικές ασθένειες είναι μικροοργανισμοί. 

Από το 1880 μέχρι το 1904 ήταν ο Κοχ στο Βερολίνο διευθυντής του Υγειονολογικού Ινστιτούτου του Πανεπιστημίου. Από το 1891 είχε γίνει διευθυντής του νέου Ινστιτούτου για μολυσματικές ασθένειες, το οποίο αργότερα ονομάστηκε «Ινστιτούτο Robert Koch». Το 1882 ανακάλυψε το βάκιλο της φυματίωσης που ονομάζεται ακόμα «βάκιλος του Κοχ» και το 1883 το μικρόβιο της χολέρας. Ακόμα εξερεύνησε την ασθένεια του ύπνου και την ελονοσία και μελέτησε τρόπους αντιμετωπίσεως αυτών των επιδημιών. 

Με αυτές τις μελέτες και εργασίες του προσέφερε ο Κοχ ανεκτίμητη βοήθεια στην πρακτική Ιατρική και έγινε ο θεμελιωτής της βακτηριολογίας. Το 1905 τιμήθηκε για την προσφορά του με το βραβείο Νόμπελ της Ιατρικής.