Несмотря на сильную близорукость, Роберт Кох добровольно стал врачом полевого госпиталя. Там он приобрел ценный опыт в лечении инфекционных заболеваний, в особенности холеры и брюшного тифа. Кроме того, он изучал под микроскопом водоросли и крупные микробы, совершенствуя свое мастерство в микрофотографии.

В 1871 году Кох демобилизовался и в следующем году был назначен уездным санитарным врачом в Вольштейне (ныне Вольштын, Польша). Жена подарила ему на день рождения микроскоп, и с тех пор Роберт потерял всякий интерес к частной практике. Он стал проводить многочисленные микробиологические исследования, используя мышей в качестве подопытных животных.

Благодаря своим открытиям Кох вскоре стал широко известен в научных кругах, и в 1880 году его назначили правительственным советником в Имперском отделении здравоохранения в Берлине. В 1881 году ученый опубликовал работу «Методы изучения патогенных организмов», в которой описал способ выращивания микробов в твердых средах. Этот способ был чрезвычайно важен для изолирования и изучения чистых бактериальных культур.

Работы Коха несколько пошатнули авторитет Луи Пастера, который в то время считался выдающимся микробиологом. После того как Кох опубликовал критические отзывы об исследованиях Пастера, касающихся сибирской язвы, между двумя учеными вспыхнула острая дискуссия. На протяжении нескольких лет они вели ее как на страницах прессы, так и в публичных заявлениях.

Кох заметил, что в окрестностях Вольштейна распространилась сибирская язва – эндемическая болезнь крупного рогатого скота и овец. Она поражает легкие, вызывает карбункулы кожи и изменения лимфоузлов. Коху было известно об опытах Луи Пастера с животными, больными сибирской язвой, и он решил провести собственное исследование. Под микроскопом он проследил весь жизненный цикл бактерий сибирской язвы, увидев, как одна палочка порождает миллионы себе подобных.

После проведения ряда тщательных экспериментов Роберт Кох обнаружил бактерию, вызывающую сибирскую язву. Он также доказал, что эпидемиологические особенности этого заболевания, взаимосвязь между разными факторами, определяющими частоту и географическое распространение инфекции, обусловлены циклом развития этой бактерии. Благодаря исследованиям Коха было впервые доказано бактериальное происхождение сибирской язвы. Статьи ученого об этом заболевании были опубликованы в 1876 и 1877 годах с помощью ботаника Фердинанда Кона и патолога Юлия Конгейма в университете Бреслау (ныне Вроцлав, Польша). Кроме того, Роберт Кох опубликовал описание своих лабораторных методов, в том числе рассказал об окраске бактериальной культуры и микрофотографировании ее строения. Результаты его исследований были представлены ученым из лаборатории Конгейма.

В то время в Германии свирепствовал туберкулез (чахотка). От него умирал каждый седьмой житель страны. Врачи были бессильны. Учитывая, что туберкулез считался наследственной болезнью, попыток борьбы с ним практически не предпринимали. Больным советовали больше бывать на свежем воздухе и хорошо питаться. В этом, собственно, и заключалось лечение.

Роберт Кох загорелся идеей обнаружить возбудитель туберкулеза. Переведясь в Берлин, ученый начал упорный поиск. Близость клиники Шарите, заполненной туберкулезными больными, облегчила ему задачу – каждое утро Кох приходил в больницу, чтобы получить материал для исследований: небольшое количество мокроты или несколько капель крови чахоточных больных.

Однако, несмотря на обилие материала, ему все же никак не удавалось обнаружить возбудителя заболевания. Вскоре Кох понял, что достичь цели можно лишь с помощью красителей. К сожалению, обычные красители оказались слишком слабыми, но спустя несколько месяцев работы ученый все же нашел необходимые вещества.

Растертую туберкулезную ткань Кох окрасил в метиленовой синьке, а затем в «везувине» – едкой красно-коричневой краске, используемой для отделки кожи, и обнаружил крошечные, слегка изогнутые ярко-синие палочки, названные впоследствии палочками Коха. Зараженные этими бактериями морские свинки заболели туберкулезом. Это была настоящая сенсация!

Триумфальной для Коха стала дата 24 марта 1882 года, когда он объявил о том, что сумел выделить бактерию, вызывающую туберкулез. В статьях Коха по проблемам туберкулеза впервые были описаны принципы, позже названные постулатами Коха. Эти принципы «получения исчерпывающих доказательств… что тот или иной микроорганизм действительно непосредственно вызывает определенные заболевания» и сейчас являются теоретическими основами медицинской микробиологии.

Роберту Коху пришлось прервать изучение туберкулеза, когда он по заданию германского правительства в составе научной экспедиции отправился в Египет и Индию, чтобы попытаться определить причину заболевания холерой. Работая в Индии, ученый выделил микроб, вызывающий эту болезнь.

Теория Коха о микробном происхождении болезней имела множество последователей. Его ученик Китазато (1856–1931), которого называют «японским Кохом», обнаружил возбудителей столбняка и бубонной чумы. Норвежец Г. Хансен (1841–1912) выделил палочку проказы в 1874 году; Г. Гаффки (1850–1918) – бациллу брюшного тифа; Ф. Леффлер (1852–1915) – возбудителей сапа и дифтерии. Еще один ученик Коха, Э. фон Беринг (1854–1917), разработал в 1890-м принцип серотерапии (использования сыворотки); его дифтерийный антитоксин спас множество жизней. А. Франкель (1848–1916) открыл пневмококков, У. Уэлш (1850–1934) – возбудителя газовой гангрены.

В 1885 году Роберт Кох стал профессором Берлинского университета и занял должность директора только что созданного Института гигиены. Он продолжал исследовать туберкулез, пытаясь найти способ лечения этого заболевания. И в 1890 году он достиг своей цели.

Роберт Кох выделил туберкулин – стерильную жидкость, содержащую вещества, вырабатываемые бациллой туберкулеза в ходе роста, которая вызывает аллергическую реакцию у больных туберкулезом. Впрочем, туберкулин не стали применять для лечения туберкулеза, поскольку он не обладал особым терапевтическим эффектом, а его введение сопровождалось токсическими реакциями. Это стало причиной острой критики и многочисленных протестов против его применения. Однако вскоре обнаружилось, что туберкулиновую пробу можно применять в диагностике туберкулеза. Это открытие сыграло очень важную роль в борьбе с туберкулезом у коров.

С 1891 года ученый возглавлял Институт инфекционных болезней клиники Шарите. А в 1893 году пятидесятилетний профессор Кох расторгнул свой брак и женился на юной актрисе Хедвиге Фрайбург. Многих это поразило, ведь со стороны Кох обычно производил впечатление подозрительного и замкнутого индивидуума. Однако близкие и коллеги знали его как доброго и участливого человека, поклонника Гете и заядлого шахматиста.

С 1901 года Кох стал директором Института инфекционных болезней в Берлине, впоследствии названного в его честь. В 1904 году он отказался от этой должности, чтобы целиком посвятить себя исследовательской деятельности.

В 1905 году Роберт Кох за «исследования и открытия, касающиеся лечения туберкулеза», получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине. В Нобелевской лекции ученый отметил, что, если окинуть взором путь, «который пройден за последние годы в борьбе с таким широко распространенным заболеванием, как туберкулез, мы не сможем не констатировать, что здесь были сделаны первые важнейшие шаги».