Paul Ehrlich wurde am 14. März 1854 in Strehlen, Deutschland, geboren. Schon als Schüler und Student der Medizin interessierte er sich für die Färbung mikroskopischer Gewebesubstanzen. In seiner Dissertation an der Leipziger Universität griff er das Thema wieder auf („Beiträge zur Theorie und Praxis der histologischen Färbung“). Nach seiner klinischen Ausbildung und Habilitation („Das Sauerstoffbedürfnis des Organismus“) an der Charité in Berlin 1887 erhielt er einen Ruf von Robert Koch an das Institut für Infektionskrankheiten in Berlin (1891).
Paul Ehrlich überwand die Tuberkuloseerkrankung, mit der er sich in Ägypten infiziert hatte. Danach trug er zusammen mit seinem Freund Emil Adolf von Behring zur Entwicklung des Diphtherieserums bei, das gegen solche Atemwegserkrankungen helfen sollte.
Diese Arbeiten waren Inspirationen zu seiner berühmten Seitenkettentheorie von 1897. Diese Theorie erklärte die Wirkung von Serum und ermöglichte es, die Menge des Antigens zu messen. Im Jahr 1896 wurde Ehrlich Direktor des neu gegründeten Königlichen Instituts für Serumforschung und Serumprüfung in Steglitz (Berlin). Dort setzte er seine Arbeiten über Immunologie und Hämolysine fort; diese Studien führten schließlich zu seiner Seitenkettentheorie der Immunität. 1899 wurde das Institut nach Frankfurt (Main) verlegt und zum Institut für experimentelle Therapie erweitert. Hier erforschte Ehrlich die Chemotherapie und Infektionskrankheiten. 1904 wurde Ehrlich Honorarprofessor der Universität Göttingen.
Paul Ehrlich erhielt 1908 zusammen mit Elie Metschnikoff den Nobelpreis für Medizin für ihre Forschungen zur Immunität. 1906 entdeckte er die Strukturformel von Atoxyl, einer chemischen Verbindung, die nachweislich zur Behandlung der Schlafkrankheit geeignet war. Nach dieser Entdeckung versuchte er, eine weniger toxische Version des Medikaments zu entwickeln. Im Jahr 1909 entwickelten er und sein Schüler Sahachiro Hata Salvarsan, ein Medikament gegen die Schlafkrankheit, Syphilis und andere epidemische Krankheiten.
1911 wurde er von der preußischen Regierung geehrt, als er in den höchsten Rang einer Exzellenz im Geheimen Sanitätsrat gewählt wurde. Wenige Jahre später starb Ehrilch am 20. August 1915 im Alter von 61 Jahren.
Sein Leben ist in dem Film The Magic Bullet dargestellt, in dem es um Salvarsan® (Arsphenamin, „compound 606“), sein Heilmittel gegen Syphilis, geht. Seine Arbeit schärfte das Bewusstsein für die Existenz der Blut-Hirn-Schranke, einer physischen Barriere zwischen den Blutgefäßen im zentralen Nervensystem.
Das Konzept der „magischen Kugel“ geht auf die Erfahrungen deutscher Chemiker des 19. Jahrhunderts mit der selektiven Färbung von Geweben für histologische Untersuchungen und insbesondere mit der selektiven Färbung von Bakterien zurück (Ehrlich war ein begnadeter histologischer Chemiker und erfand die Vorläufertechnik der Gram-Färbung von Bakterien). Ehrlich stellte sich vor, dass, wenn eine Verbindung hergestellt werden könnte, die selektiv auf einen krankheitsverursachenden Organismus abzielt, dann könnte ein Toxin für diesen Organismus zusammen mit dem Mittel der Selektivität verabreicht werden. Auf diese Weise würde eine magische Kugel entstehen, die nur den Zielorganismus tötet.