تخرج روبرت عام 1866 بدرجات عالية وحصل على درجة الماجستير.
سافر بعد التخرج إلى برلين لصقل مهاراته في الكيمياء؛ وانضم في العام التالي إلى المشفى العام في هامبورغ كطبيب. وبعد عامين من انضمامه إلى المستشفى العام، اجتاز كوخ بنجاح فحص الأطباء الضباط في المقاطعة.
تطوع في عام 1870 في الجيش البروسي، للمشاركة في الحرب الفرنسية البروسية، وشغل لمدة ثمان سنوات منصب الطبيب المسؤول عن المقاطعة في ولشتاين.

بدأ خلال فترة عمله كطبيب مسؤول في الجيش بتجاربه حولة كيفية تسبب البكتريا بالجمرة الخبيثة anthrax، وعلى الرغم من استخدامه مختبرًا بدائيًا وخطيرًا للغاية فقد نجح في تجاربه في نهاية الأمر.

في عام 1882، نجح روبرت كوخ في اكتشاف البكتريا التي تسبب مرض السل، ووشرح كيف يمكن أن ترزع البكتريًا صناعيًا، ونشر في العام نفسه ورقة بحثية مفصلة لعمله ونتائجه.
أصبح العالم المسؤول عن اكتشاف وعلاج عدة أمراض بكتيرية، وعندما اننتشر وباء الكوليرا في مصر عام 1883، أرسل إلى هناك بصفته قائد البعثة الألمانية للكوليرا.

في عام 1905، حاز على جائزة نوبل في الطب عن اكتشافاته المتعلقة بمرض السل.