Estudià a les universitats de Breslau, Estrasburg i Friburg. Fou deixeble de Koch, i regentà més tard l’institut que en porta el nom. Nomenat director de l’institut de terapèutica experimental de Frankfurt, el 1908 rebé el premi Nobel de medicina, que compartí amb Il’ja Mečnikov. Els seus treballs sobre immunologia i sobre la terapèutica de les malalties infeccioses foren decisius: en el camp de la immunologia es destaca sobretot en l’explicació del mecanisme de la reacció antigen-anticòs, i en el de la terapèutica antimicrobiana el seu èxit més important fou el descobriment del salvarsan (1909), droga que guareix de la sífilis i que en principi fou anomenada 606, puix que abans d’obtenir-la hagué de fer assaigs amb unes altres 605 substàncies. El 1912 descobrí el neosalvarsan o 914, més eficaç que l’anterior. També són importants els seus treballs en histologia sobre l’acció dels colorants.