Kromě toho je Koch, považovaný spolu s Louisem Pasteurem za otce mikrobiologie, autorem obecných pravidel, která určují vztah mezi nemocí a mikroorganismem a která dodnes slouží jako „bakteriologické evangelium“, nazývané Kochovy postuláty.
V době, kdy absolvent medicíny Koch zakotvil po několika štacích jako obvodní lékař ve Wollsteinu (dnes polská Wolsztyn), již bylo známo, že bacily nějak souvisejí s chorobami. Koch ale jako první na světě jednoznačně přiřadil konkrétní bacil ke konkrétní nemoci; šlo o antrax. Při studiu této choroby dobytka přenosné na člověka začal také užívat barvení mikroorganismů a vynalezl způsob pěstování bakterií v živných kulturách.
Ke svým pokusů tehdy nepříliš majetný Koch používal obyčejné polní myši, na nichž prokázal, že kapka krve z uhynulého dobytka obsahující „divné tyčinky“ zabíjí. Dále chtěl získat také důkaz, že tyto „tyčinky“ jsou živé.
Pěstoval je proto v živném roztoku, původně prý používal sklivec volského oka. Svůj objev přednesl roku 1876 na nejbližší univerzitě, ve Vratislavi, kde se mu dostalo uznání od kolegů, nikoli však od německých úřadů. A tak se Koch vrátil k praxi obvodního lékaře a dál bádal.
Teprve v roce 1880 byl Koch povolán do Berlína na císařský zdravotní ústav a začal se, konečně s profesionálním vybavením, věnovat hledání příčiny jedné z největších metel lidstva – tuberkulózy (TBC). Za její příčinu se tehdy považovala špatná výživa, až Koch odhalil původce této smrtelné choroby – bakterii Mycobacterium tuberculosi a dokázal, že se nejčastěji šíří kapénkovou infekcí.
Tímto objevem, který zveřejnil 24. března 1882, výrazně přispěl ke snížení počtu nemocných tuberkulózou.
Koch se pokusil najít i lék na tuberkulózu. V roce 1896 oznámil objev tuberkulinu, který se ale ukázal být neúčinný, a navíc jeho vedlejší účinky vedly k úmrtím pacientů. Nicméně později se tuberkulin osvědčil jako diagnostický prostředek. Účinné antibiotikum na TBC (streptomycin) bylo objeveno až v roce 1943, ale vzhledem k nárůstu rezistence bakterií na antibiotika zůstává i dnes tuberkulóza závažným, někdy neléčitelným, onemocněním.
V roce 1883 byl Koch vyslán jako vedoucí vědecké expedice do Egypta a Indie, kde se mu podařilo odhalit původce další obávané nemoci – cholery. V roce 1885 se Koch stal profesorem a byl jmenován ředitelem Institutu hygieny v Berlíně. Šest let nato byl pro něj vytvořen Institut infekčních nemocí, v jehož čele stál Koch do roku 1904 a z jehož experimentálního oddělení později vznikl dnes známý Institut Roberta Kocha.
Od poloviny 90. let podnikl Koch několik cest do Afriky a do Indie za účelem zkoumání některých nemocí, které pomohl objasnit (například malárie, spavá nemoc, mor či tyfus). Na cestách ho často doprovázela jeho druhá manželka Hedwiga. Sňatkem s ní v roce 1893 vyvolal doslova skandál, neboť Kochovi bylo 50 a nevěstě 20 let. Krátce předtím se rozvedl se svou první ženou, kterou si vzal v roce 1866 a s níž měl dceru Getrudu.
Robert Koch (narozený 11. prosince 1843 v Clausthalu) byl držitelem řady cen, řádů a čestných doktorátů a v roce 1905 mu byla udělena Nobelova cena za lékařství a fyziologii. Pět let nato 27. května zemřel v Baden-Badenu na následky infarktu.