Paul Ehrlich blev født den 14. marts 1854 i Strehlen, i Ober Schlesien*, Tyskland. Han var søn af Ismar Ehrlich og dennes hustru Rosa Weigert, hvis nevø var den store bakteriolog Karl Weigert.
Ehrlich blev uddannet på gymnasiet i Breslau og efterfølgende på universiteterne i Breslau, Strassburg, Freiburg-im-Breisgau og Leipzig. I 1878 blev han doktor i medicin ved hjælp af en afhandling om teori og praksis for farvning af animalsk væv. Dette arbejde var et af resultaterne af hans store interesse for de anilinfarvestoffer, som W. H. Perkin opdagede i 1853.
I 1878 blev han udnævnt til assistent for professor Frerichs ved den medicinske klinik i Berlin, som gav ham alle muligheder for at fortsætte sit arbejde med disse farvestoffer og farvning af væv med dem. Ehrlich viste, at alle de anvendte farvestoffer kunne klassificeres som basiske, sure eller neutrale, og hans arbejde med farvning af granula i blodceller lagde grunden til det fremtidige arbejde med hæmatologi og farvning af væv.
I 1882 offentliggjorde Ehrlich sin metode til farvning af tuberkelbacillen, som Koch havde opdaget, og denne metode var grundlaget for de senere modifikationer, der blev indført af Ziehl og Neelson, og som stadig anvendes i dag. Heraf blev også afledt Gram-metoden til farvning af bakterier, som moderne bakteriologer bruger så meget.
I 1882 blev Ehrlich titulær professor, og i 1887 kvalificerede han sig som følge af sin afhandling Das Sauerstoffbedürfnis des Organismus (Organismens behov for ilt) som Privatdozent (ulønnet lektor eller instruktør) ved det medicinske fakultet på universitetet i Berlin. Senere blev han lektor der og overlæge ved Charité-hospitalet i Berlin.
I 1890 udnævnte Robert Koch, direktør for det nyoprettede institut for infektionssygdomme, Ehrlich til en af sine assistenter, og Ehrlich påbegyndte derefter de immunologiske undersøgelser, som hans navn altid vil blive forbundet med.
I slutningen af 1896 blev der oprettet et institut for kontrol af terapeutiske sera i Steglitz i Berlin, og Ehrlich blev udnævnt til dets direktør. Her udførte han yderligere vigtigt arbejde inden for immunologien, især om hæmolysiner. Han viste også, at toksin-antitoksinreaktionen, som det er tilfældet med kemiske reaktioner, accelereres af varme og forsinkes af kulde, og at indholdet af antitoksin i antitoksinsera varierede så meget af forskellige årsager, at det var nødvendigt at fastlægge en standard, hvormed deres antitoksinindhold kunne måles nøjagtigt. Dette lykkedes ham med von Behrings antidiphteritiske serum og gjorde det således muligt at standardisere dette serum i enheder i forhold til en fast og uforanderlig standard. De metoder til at gøre dette, som Ehrlich derefter etablerede, dannede grundlaget for al fremtidig standardisering af sera. Dette arbejde og hans andre immunologiske undersøgelser førte Ehrlich til at formulere sin berømte sidekædeteori om immunitet.
I 1897 blev Ehrlich udnævnt til embedsmand for folkesundhed i Frankfurt-am-Main, og da man i 1899 oprettede det kongelige institut for eksperimentel terapi i Frankfurt, blev Ehrlich dets direktør. Han blev også direktør for Georg Speyerhaus, som blev grundlagt af Frau Franziska Speyer og bygget ved siden af Ehrlichs institut. Disse udnævnelser markerede begyndelsen på den tredje fase af Ehrlichs mange og forskelligartede forskning. Han helligede sig nu kemoterapi og baserede sit arbejde på den idé, der lå implicit i hans doktorafhandling, som han skrev som ung mand, at den kemiske sammensætning af de anvendte lægemidler skulle studeres i forhold til deres virkemåde og deres affinitet med cellerne i de organismer, som de var rettet mod. Hans mål var, som han udtrykte det, at finde kemiske stoffer, der har en særlig affinitet for sygdomsfremkaldende organismer, som de ville gå til, ligesom antitoksiner går til de toksiner, som de er specifikt relateret til, og som ville være, som Ehrlich udtrykte det, “magiske kugler”, der ville gå direkte til de organismer, som de var rettet mod.
For at opnå dette testede Ehrlich med hjælp fra sine assistenter hundredvis af kemiske stoffer udvalgt blandt det endnu større antal af disse, som han havde samlet. Han studerede bl.a. behandlingen af trypanosomiasis og andre protozoesygdomme og fremstillede trypanrødt, der, som hans japanske assistent Shiga viste, var effektivt mod trypanosomer. Sammen med A. Bertheim fastlagde han også den korrekte strukturformel for atoxyl, hvis effektivitet mod visse eksperimentelle trypanosomiaser var kendt. Dette arbejde åbnede en vej til at opnå talrige nye organiske forbindelser med treværdigt arsen, som Ehrlich afprøvede.
På dette tidspunkt blev den spirochaete, der forårsager syfilis, opdaget af Schaudinn og Hoffmann i Berlin, og Ehrlich besluttede at søge et lægemiddel, der især ville være effektivt mod denne spirochaete. Blandt de arsenikpræparater, der allerede var afprøvet til andre formål, var der et, det 606. i den afprøvede serie, som var blevet tilsidesat i 1907 som værende ineffektivt. Men da Ehrlichs tidligere kollega Kitasato sendte en af sine elever ved navn Hata til Ehrlichs institut, bad Ehrlich, da han erfarede, at det var lykkedes Hata at inficere kaniner med syfilis, ham om at afprøve dette kasserede lægemiddel på disse kaniner. Hata gjorde det og fandt ud af, at det var meget effektivt.
Da hundredvis af eksperimenter gentagne gange havde bevist dets effektivitet mod syfilis, annoncerede Ehrlich det under navnet “Salvarsan”. Efterfølgende blev der arbejdet videre med dette emne, og til sidst viste det sig, at det 914. arseniske stof, som fik navnet “Neosalvarsan”, var, selv om dets helbredende virkning var mindre, lettere at fremstille og, da det var mere opløseligt, blev det lettere at administrere. Ehrlich måtte, som så mange andre opdagere før ham, kæmpe med megen modstand, før Salvarsan eller Neosalvarsan blev accepteret til behandling af menneskelig syfilis; men til sidst sejrede den praktiske erfaring, og Ehrlich blev berømt som en af kemoterapiens vigtigste grundlæggere.
I de senere år af sit liv beskæftigede Ehrlich sig med eksperimentelt arbejde med tumorer og med sin opfattelse af, at sarkom kan udvikle sig fra karcinom, også med sin teori om athreptisk immunitet mod kræft.
Ehrlichs utrættelige arbejdsomhed gennem hele sit liv, hans venlighed og beskedenhed, hans livslange vane med at spise lidt og uafladeligt ryge 25 stærke cigarer om dagen, hvoraf han ofte bar en kasse under den ene arm, hans ufravigelige insisteren på gentagne beviser ved hjælp af mange eksperimenter for de resultater, han offentliggjorde, og den veneration og hengivenhed, som alle hans assistenter viste ham, er blevet levende beskrevet af hans tidligere sekretær, Martha Marquardt, hvis biografi om ham har givet os et detaljeret billede af hans liv i Frankfurt. I Frankfurt blev den gade, hvor hans institut lå, opkaldt Paul Ehrlichstrasse efter ham, men senere, da jødeforfølgelsen begyndte, blev dette navn fjernet, fordi Ehrlich var jøde. Efter Anden Verdenskrig, da hans fødeby, Strehlen, kom under de polske myndigheders jurisdiktion, omdøbte de den til Ehrlichstadt til ære for dens store søn.
Ehrlich var ordinært, udenlandsk, korresponderende eller æresmedlem af ikke mindre end 81 akademier og andre lærde organer i Østrig, Belgien, Brasilien, Danmark, Egypten, Finland, Frankrig, Tyskland, Storbritannien, Grækenland, Italien, Nederlandene, Norge, Rumænien, Rusland, Serbien, Sverige, Østrig, Tyrkiet, USA, Tyskland, Grækenland, Ungarn, Rumænien, Sverige, Serbien, Østrig og Venezuela. Han var æresdoktor ved universiteterne i Chicago, Göttingen, Oxford, Athen og Breslau, og han blev også hædret af ordener i Tyskland, Rusland, Japan, Spanien, Rumænien, Serbien, Venezuela, Danmark (kommandantkorset af Danebrogordenen) og Norge (kommandantkorset af den kongelige Sankt Olaf-orden).
I 1887 modtog han Tiedemann-prisen fra Senckenberg Naturforschende Gesellschaft i Frankfurt/Main, i 1906 hædersprisen på den XV. internationale medicinkongres i Lissabon, i 1911 Liebig-medaljen fra det tyske kemiske selskab og i 1914 Cameron-prisen fra Edinburgh. I 1908 delte han sammen med Metchnikoff den højeste videnskabelige udmærkelse, Nobelprisen.
Den preussiske regering valgte ham i 1897 til hemmelig medicinsk rådgiver, forfremmede ham i 1907 til en højere rang af denne rådgiver og ophøjede ham i 1911 til den højeste rang, real-rådgiver med titel af excellence.
Ehrlich blev i 1883 gift med Hedwig Pinkus, som da var 19 år gammel. De fik to døtre, Stephanie (fru Ernst Schwerin) og Marianne (fru Edmund Landau).
Da Første Verdenskrig brød ud i 1914, var han meget berørt af den, og i julen samme år fik han et let slagtilfælde. Han kom sig hurtigt over dette, men hans helbred, som aldrig havde svigtet ham, bortset fra en tuberkuloseinfektion i begyndelsen af livet, som havde gjort det nødvendigt for ham at tilbringe to år i Egypten, begyndte nu at svigte ham, og da han i 1915 tog på ferie til Bad Homburg, fik han den 20. august samme år endnu et slagtilfælde, som satte en stopper for hans liv.
