El 1921 es graduà en medicina a la Universitat de Kiel. En col·laboració amb els químics Fritz Mietzsch i Joseph Klarer dugué a terme una investigació sistemàtica sobre les propietats terapèutiques d’una sèrie de nous composts azo sintetitzats. L’informe que publicà el 1932 sobre els defectes antibacteriològics del prontosil inaugurà l’era de la terapèutica química en la medicina, i aquest descobriment li valgué la concessió del premi Nobel de medicina i fisiologia de l’any 1939. A més dels treballs sobre el tractament de les infeccions agudes, efectuà un conjunt d’investigacions sobre la tuberculosi i el càncer.