炭疽菌、結核菌、コレラ菌の発見者である。純粋培養や染色の方法を改善し、細菌培養法の基礎を確立した。寒天培地やペトリ皿（シャーレ）は彼の研究室で発明され、その後今日に至るまで使い続けられている。

また感染症の病原体を証明するための基本指針となるコッホの原則を提唱し、感染症研究の開祖として医学の発展に貢献した。

• 1876年、炭疽菌の純粋培養に成功し、炭疽の病原体であることを証明した。このことによって細菌が動物の病原体であることを証明し、その証明指針であるコッホの原則を提唱した。
• 1882年3月24日、結核菌を発見した。ヒトにおいて炭疽菌と同様に病原性の証明を行って、論文『結核の病因論』を著わし、ヒトにおいても細菌が病原体であることを証明した（後にこれを記念して、3月24日は世界結核デーと制定された）。
• 1883年、インドにおいて、コレラ菌を発見。
• 1890年、結核菌の培養上清からツベルクリン（結核菌ワクチン）を創製。当初は治療用に使用することが目的だったが、効果がなかったため、現在では診断用のみに用いられている。
• 1905年、結核に関する研究の業績よりノーベル生理学・医学賞を受賞。

ベルリン大学で教鞭をとり、彼の弟子として、

• 腸チフス菌を発見したG・ガフキー、
• ジフテリア菌の分離に成功したフリードリッヒ・レフラー、
• 血清療法の研究により1901年ノーベル生理学・医学賞を受賞したエミール・ベーリング、
• 化学療法の研究により1908年ノーベル生理学・医学賞を受賞したパウル・エールリヒ、
• 破傷風菌を純粋培養し、ペスト菌を発見した北里柴三郎

などを輩出した。