Paul Ehrlich nació el 14 de marzo de 1854 en Strehlen, en la Alta Silesia*, Alemania. Era hijo de Ismar Ehrlich y de su esposa Rosa Weigert, cuyo sobrino era el gran bacteriólogo Karl Weigert.
Ehrlich se formó en el Gymnasium de Breslau y posteriormente en las universidades de Breslau, Estrasburgo, Friburgo de Brisgovia y Leipzig. En 1878 se doctoró en medicina con una disertación sobre la teoría y la práctica de la tinción de tejidos animales. Este trabajo fue uno de los resultados de su gran interés por los colorantes de anilina descubiertos por W. H. Perkin en 1853.
En 1878 fue nombrado ayudante del profesor Frerichs en la Clínica Médica de Berlín, quien le dio todas las facilidades para continuar su trabajo con estos colorantes y la tinción de tejidos con ellos. Ehrlich demostró que todos los colorantes utilizados podían clasificarse como básicos, ácidos o neutros y su trabajo sobre la tinción de los gránulos de las células sanguíneas sentó las bases de los futuros trabajos sobre hematología y tinción de tejidos.
En 1882 Ehrlich publicó su método de tinción del bacilo tuberculoso que había descubierto Koch y este método fue la base de las posteriores modificaciones introducidas por Ziehl y Neelson, que aún se utilizan hoy en día. De él se derivó también el método Gram de tinción de bacterias tan utilizado por los bacteriólogos modernos.
En 1882 Ehrlich se convirtió en Profesor Titular y en 1887 se calificó, como resultado de su tesis Das Sauerstoffbedürfnis des Organismus (La necesidad de oxígeno del organismo) como Privatdozent (profesor o instructor no remunerado) en la Facultad de Medicina de la Universidad de Berlín. En 1890, Robert Koch, director del recién creado Instituto de Enfermedades Infecciosas, nombró a Ehrlich como uno de sus ayudantes y comenzó los estudios inmunológicos con los que siempre se asociará su nombre.
A finales de 1896 se creó un Instituto para el control de sueros terapéuticos en Steglitz, Berlín, y Ehrlich fue nombrado su director. Aquí realizó otros trabajos importantes sobre inmunología, especialmente sobre las hemolisinas. También demostró que la reacción toxina-antitoxina, al igual que las reacciones químicas, se acelera con el calor y se retrasa con el frío, y que el contenido de antitoxina en los sueros antitóxicos variaba tanto por diversas razones que era necesario establecer un estándar que permitiera medir exactamente su contenido de antitoxina. Esto lo logró con el suero antidiftérico de von Behring y así hizo posible estandarizar este suero en unidades relacionadas con un estándar fijo e invariable. Los métodos que Ehrlich estableció para ello constituyeron la base de toda la estandarización futura de los sueros. Este trabajo y sus otros estudios inmunológicos llevaron a Ehrlich a formular su famosa teoría de la cadena lateral de la inmunidad.
En 1897 Ehrlich fue nombrado funcionario de salud pública en Frankfurt-am-Main y cuando, en 1899, se estableció el Instituto Real de Terapia Experimental en Frankfurt, Ehrlich se convirtió en su director. También se convirtió en director de la Georg Speyerhaus, fundada por Frau Franziska Speyer y construida al lado del Instituto de Ehrlich. Estos nombramientos marcaron el inicio de la tercera fase de las numerosas y variadas investigaciones de Ehrlich. Ahora se dedicó a la quimioterapia, basando su trabajo en la idea, implícita en su tesis de doctorado escrita cuando era joven, de que la constitución química de los fármacos utilizados debía estudiarse en relación con su modo de acción y su afinidad por las células de los organismos contra los que se dirigían. Su objetivo era, como él decía, encontrar sustancias químicas que tuvieran afinidades especiales por los organismos patógenos, a los que se dirigirían, como las antitoxinas a las toxinas con las que están específicamente relacionadas, y serían, como expresaba Ehrlich, «balas mágicas» que irían directas a los organismos a los que iban dirigidas.
Para conseguirlo, Ehrlich probó, con la ayuda de sus ayudantes, cientos de sustancias químicas seleccionadas entre un número aún mayor de ellas que había recopilado. Estudió, entre otros temas, el tratamiento de la tripanosomiasis y otras enfermedades protozoarias y produjo el rojo de tripán, que era, como demostró su ayudante japonés Shiga, eficaz contra los tripanosomas. También estableció, con A. Bertheim, la fórmula estructural correcta del atoxilo, cuya eficacia contra ciertas tripanosomiasis experimentales era conocida. Este trabajo abrió una vía de obtención de numerosos compuestos orgánicos nuevos con arsénico trivalente que Ehrlich ensayó.
En esta época, la espiroqueta que causa la sífilis fue descubierta por Schaudinn y Hoffmann en Berlín, y Ehrlich decidió buscar un fármaco que fuera eficaz especialmente contra esta espiroqueta. Entre los fármacos arsenicales ya probados para otros fines había uno, el 606 de la serie probada, que había sido apartado en 1907 por ser ineficaz. Pero cuando Kitasato, antiguo colega de Ehrlich, envió a un alumno suyo, llamado Hata, a trabajar en el Instituto de Ehrlich, éste, al enterarse de que Hata había logrado infectar a conejos con sífilis, le pidió que probara este fármaco desechado en estos conejos. Hata lo hizo y comprobó que era muy eficaz.
Cuando cientos de experimentos habían demostrado repetidamente su eficacia contra la sífilis, Ehrlich lo anunció con el nombre de «Salvarsan». Posteriormente se realizaron nuevos trabajos sobre este tema y finalmente resultó que la sustancia arsenical 914, a la que se dio el nombre de «Neosalvarsan», era, aunque su efecto curativo era menor, más fácil de fabricar y, al ser más soluble, se administraba más fácilmente. Ehrlich tuvo, como tantos otros descubridores antes que él, que luchar con mucha oposición antes de que el Salvarsan o el Neosalvarsan fueran aceptados para el tratamiento de la sífilis humana; pero finalmente la experiencia práctica prevaleció y Ehrlich se hizo famoso como uno de los principales fundadores de la quimioterapia.
Durante los últimos años de su vida, Ehrlich se ocupó de los trabajos experimentales sobre los tumores y sobre su opinión de que el sarcoma puede desarrollarse a partir del carcinoma, también sobre su teoría de la inmunidad atrópica al cáncer.
La infatigable industria mostrada por Ehrlich a lo largo de su vida, su amabilidad y modestia, su hábito de toda la vida de comer poco y fumar incesantemente 25 cigarros fuertes al día, una caja de los cuales llevaba con frecuencia bajo un brazo, su invariable insistencia en que los resultados que publicaba fueran probados repetidamente mediante numerosos experimentos, así como la veneración y la devoción que le profesaban todos sus ayudantes, han sido descritos vívidamente por su antigua secretaria, Martha Marquardt, cuya biografía sobre él nos ha dado una imagen detallada de su vida en Frankfurt. En Fráncfort, la calle en la que estaba situado su Instituto recibió el nombre de Paul Ehrlichstrasse en su honor, pero más tarde, cuando comenzó la persecución judía, se retiró este nombre porque Ehrlich era judío. Sin embargo, después de la Segunda Guerra Mundial, cuando su ciudad natal, Strehlen, pasó a estar bajo la jurisdicción de las autoridades polacas, éstas la rebautizaron con el nombre de Ehrlichstadt, en honor a su gran hijo.
Ehrlich fue miembro ordinario, extranjero, correspondiente u honorario de no menos de 81 academias y otros organismos eruditos en Alemania, Austria, Bélgica, Brasil, Dinamarca, Egipto, Estados Unidos, Finlandia, Francia, Gran Bretaña, Grecia, Hungría, Italia, Noruega, Países Bajos, Rumanía, Rusia, Serbia, Suecia, Turquía y Venezuela. Es doctor honoris causa por las universidades de Chicago, Göttingen, Oxford, Atenas y Breslau, y ha sido condecorado por las órdenes de Alemania, Rusia, Japón, España, Rumania, Serbia, Venezuela, Dinamarca (Cruz de Comendador de la Orden de Danebrog) y Noruega (Cruz de Comendador de la Real Orden de San Olaf).
En 1887 recibió el Premio Tiedemann de la Senckenberg Naturforschende Gesellschaft de Frankfurt/Main, en 1906 el Premio de Honor del XV Congreso Internacional de Medicina de Lisboa, en 1911 la Medalla Liebig de la Sociedad Química Alemana y en 1914 el Premio Cameron de Edimburgo. En 1908 compartió con Metchnikoff la más alta distinción científica, el Premio Nobel.
El Gobierno prusiano lo eligió Consejero Médico Privado en 1897, lo ascendió a un rango superior de este Consejo en 1907 y, en 1911, lo elevó al rango más alto, Consejero Privado Real con el título de Excelencia.
Ehrlich se casó, en 1883, con Hedwig Pinkus, que entonces tenía 19 años. Tuvieron dos hijas, Stephanie (señora de Ernst Schwerin) y Marianne (señora de Edmund Landau).
Cuando estalló la Primera Guerra Mundial en 1914 se vio muy afectado por ella y en las Navidades de ese año sufrió un leve derrame cerebral. Se recuperó rápidamente, pero su salud, que nunca le había fallado, aparte de una infección tuberculosa en sus primeros años de vida que le obligó a pasar dos años en Egipto, empezó a decaer y cuando, en 1915, fue a Bad Homburg de vacaciones, tuvo, el 20 de agosto de ese año, un segundo ataque que acabó con su vida.