Nach seinem Studium war er seit 1878 an der Berliner Charité tätig; 1884 Professor, 1896 Direktor des Staatlichen Instituts für Serumforschung in Steglitz, das 1899 nach Frankfurt am Main verlegt wurde und dort den Namen Institut für experimentelle Therapie erhielt. 1910 entwickelte er mit Hata das Salvarsan gegen Syphilis. Er gilt als Begründer der Chemotherapie und der morphologischen Blutlehre. 1908 erhielt er den Nobelpreis für Medizin für die Wertbestimmung des Diphterieserums. Seit 1905 war er Honorarprofessor in Göttingen, 1914 Ordinarius an der Universität Frankfurt am Main.