Bosch erhielt bereits im väterlichen Installationsbetrieb und dann in einer Hütte in Schlesien seine Ausbildung in der Formerei, Schlosserei und Tischlerei. Er studierte von 1894 bis 1896 Eisenhüttenwesen und Maschinenbau an der Technischen Hochschule in Charlottenburg. Dann begann er 1896 sein Chemiestudium in Leipzig, das er mit der Promotion 1898 abschloß. 1899 trat er in die Badische Anilin- & Soda-Fabrik AG ein, deren Vorstandsvoritzender er 1919 wurde. Ab 1925 bis 1935 stand er der I.G. Farben AG vor. Bosch schuf die Voraussetzung für die technische Anwendung des Haber-Bosch-Verfahrens zur Ammoniaksynthese in der Großproduktion. 1912 leitete er den Aufbau des Sprengstoffwerkes Oppau bei Ludwigshafen, und 1916/17 war er Leiter der Stickstoffwerke in Leuna. Er widmete sich vorrangig der Stickstoffdünger-Forschung und trug entscheidend zur Lösung des Problems der Hydrierung von Kohle, Teer und Öl bei. 1927 wurde Bosch zum Professor berufen. Gemeinsam mit Bergius erhielt Bosch 1931 den Nobelpreis für Chemie. Bereits seit 1919 gehörte er dem Präsidium des Reichsverbandes der Deutschen Industrie an, aus dem die Reichsgruppe Industrie 1933/34 entstand. Er hatte Anteil an der Ausarbeitung des Wirtschaftsprogrammes vom August 1932, das Franz von Papen in Münster verkündete. 1933 wurde Bosch zum Mitglied der Akademie für Deutsches Recht berufen. Ab 1937 war er Vorsitzender der Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft als Nachfolger von Max Planck.