Koch werd geboren als een van dertien kinderen van Hermann Koch en Mathilde Julie Henriette Biewend. Zijn vader was mijnbouwingenieur. Tijdens zijn jeugd verzamelde Koch mineralen, insecten en korstmossen. In 1862 begon hij zijn studie medicijnen aan de universiteit van Göttingen. Vier jaar later rondde hij zijn studie af. Na een kort dienstverband als legerarts tijdens de Frans-Duitse Oorlog (1870/1871) werd hij huisarts in Wollstein.
Nadat hij een microscoop van zijn vrouw had gekregen als cadeau voor zijn 29ste verjaardag, bouwde hij een hoek van zijn Wollstein-Klinik om tot een laboratorium en begon er de ziekten van zijn patiënten te bestuderen. In 1880 werd hij te Berlijn aangesteld bij het Keizerlijke Gesundheitsamt (Ministerie van Gezondheid).
Gedurende de laatste jaren van zijn leven bezocht hij vele landen: in 1896 werd hem door de Britse regering gevraagd om naar Zuid-Afrika te komen voor het onderzoek naar en de bestrijding van runderpest. Een jaar later reisde hij als lid van de Duitse pestcommissie naar India. In de periode 1898-1899 deed Koch onderzoek naar malaria in Italië, op Java en Nieuw-Guinea, en in latere jaren naar verscheidene infectieziekten in zuidelijk Afrika. In 1906 ging hij als leider van een Duitse slaapziekte-expeditie naar Duits Oost-Afrika om onderzoek te doen naar de verwekker van de slaapziekte.
Koch was tweemaal gehuwd. Zijn eerste huwelijk was met Emmy Fraatz en het tweede met de actrice Hedwig Freiberg. Hij overleed op 66-jarige leeftijd in Baden-Baden.
Bibliografie
Methoden voor de bestudering van ziekteverwekkende organismen (1880)
