Er begann als Kreisphysikus in Wollstein (Provinz Posen) seine bahnbrechenden Arbeiten, durch die er die wichtigsten methodischen Grundlagen der bakteriologischen Forschung schuf und 1876 im Milzbrandbazillus zum erstenmal einen lebenden Mikroorganismus als spezifische Ursache einer Infektionskrankheit nachwies. Von 1880 bis 1904 war er in Berlin als ordentliches Mitglied des Reichsgesundheitsamts, Direktor des Hygienischen Instituts der Universität und des neugegründeten Instituts für Infektionskrankheiten tätig. 1882 entdeckte er das Tuberkulosebakterium und 1884 den Choleraerreger. Koch erforschte ferner die Schlafkrankheit, die Malaria und die Tuberkulose und untersuchte die Möglichkeiten zur Verhütung und Bekämpfung dieser Seuchen. Mit seinen Arbeiten beeinflußte er die moderne Medizin entscheidend und wurde der Hauptbegründer der modernen Bakteriologie. 1905 erhielt er für seine Forschungen über die Tuberkulose den Nobelpreis. Bereits 1890 hatten der Magistrat und die Stadtverordnetenversammlung von Berlin Robert Koch die Ehrenbürgerschaft der Stadt verliehen.