Το 1843 ολοκλήρωσε ο Βίρχο τις ιατρικές σπουδές του και διορίστηκε σε νοσοκομείο του Βερολίνου, όπου εκτελούσε τις τομές στα μαθήματα ανατομίας. Λόγω συμμετοχής του στην επανάσταση του 1848 και των αντιμοναρχικών φρονημάτων του, απολύθηκε από το νοσοκομείο και εξαναγκάστηκε να εγκαταλείψει το Βερολίνο. Διορίστηκε το 1849 καθηγητής Παθολογικής Ανατομίας στο πανεπιστήμιο του Wuerzburg και ανέπτυξε τις θεμελιώδεις αρχές της κυταρικής παθολογίας. 

Το 1856 επέστρεψε στο Βερολίνο και διορίστηκε διευθυντής του νέου Παθολογικού Ινστιτούτου. Αρχικά ήταν πολύ σκεπτικός για την αναπτυσσόμενη βακτηριολογία του Κοχ, ήταν όμως πρωτεργάτης και στυλοβάτης της ιατρικής υγιεινής. Έκανε εισηγήσεις στην πολιτική ηγεσία της πόλης για εγκατάσταση αποχετευτικού δικτύου. Ως συνιδρυτής του Γερμανικού Προοδευτικού Κόμματος (1861) και μέλος της γερμανικής Βουλής (1880-93) ήταν αποφασιστικός αντίπαλος του Μπίσμαρκ. Παράλληλα με την Ιατρική και την πολιτική, ο Βίρχο ήταν αναγνωρισμένος ερευνητής της Ανθρωπολογίας και πρόεδρος της «Ανθρωπολογικής Εταιρίας».