Paul Ehrlich se narodil 14. března 1854 ve Strehlenu v Německu. Již jako žák a student medicíny se zajímal o barvení mikroskopických tkáňových látek. Ve své disertační práci na univerzitě v Lipsku se tohoto tématu znovu chopil („Beiträge zur Theorie und Praxis der histologischen Färbung“). Po klinickém vzdělání a habilitaci („Das Sauerstoffbedürfnis des Organismus“) na Charité v Berlíně v roce 1887 obdržel výzvu od Roberta Kocha, aby nastoupil do Ústavu pro infekční choroby v Berlíně (1891).
Paul Ehrlich překonal nemoc tuberkulózu, kterou se nakazil v Egyptě. Poté se společně se svým přítelem Emilem Adolfem von Behringem podílel na vývoji séra proti záškrtu, které by pomohlo proti těmto respiračním onemocněním.
Tyto práce byly inspirací pro jeho slavnou teorii postranních řetězců (Seitenkettentheorie) z roku 1897. Tato teorie vysvětlovala účinky séra a umožňovala měřit množství antigenu. V roce 1896 se Ehrlich stal ředitelem nově založeného Královského ústavu pro výzkum a vyšetření séra (Königlichen Instituts für Serumforschung und Serumprüfung) ve Steglitzu (Berlín). Zde pokračoval v práci na imunologii a hemolyzinech; tyto studie nakonec vedly k jeho teorii postranních řetězců imunity. V roce 1899 byl ústav přesunut do Frankfurtu nad Mohanem a rozšířen na Institut pro experimentální terapii (Institut für experimentelle Therapie). Zde Ehrlich zkoumal chemoterapii a infekční choroby. V roce 1904 se Ehrlich stal čestným profesorem univerzity v Göttingenu.
Paul Ehrlich obdržel v roce 1908 společně s Elie Metschnikoffem Nobelovu cenu za medicínu za výzkum imunity. V roce 1906 objevil strukturní vzorec atoxylu, chemické sloučeniny, která prokazatelně dokázala léčit spavou nemoc. Po tomto objevu se pokusil vytvořit méně toxickou verzi léku. V roce 1909 vyvinul se svým studentem Sahachiro Hatou Salvarsan, lék na spavou nemoc, syfilis a další epidemické choroby.
V roce 1911 byl oceněn pruskou vládou, když byl zvolen do nejvyšší hodnosti excelence v tajné lékařské radě. O několik let později, 20. srpna 1915, Ehrilch zemřel ve věku 61 let.
Jeho život je zachycen ve filmu Kouzelná kulka, který se zaměřil na Salvarsan® (arsfenamin, „sloučenina 606“), jeho lék na syfilis. Jeho práce zvýšila povědomí o existenci hematoencefalické bariéry, fyzikální bariéry mezi cévami v centrální nervové soustavě.
Koncept „kouzelné kulky“ vychází ze zkušeností německých chemiků 19. století se selektivním barvením tkání pro histologické vyšetření, a zejména se selektivním barvením bakterií (Ehrlich byl mimořádně nadaný histologický chemik a vynalezl techniku předcházející barvení bakterií podle Grama). Ehrlich přišel na to, že pokud by se podařilo vyrobit sloučeninu, která by selektivně cílila na organismus způsobující onemocnění, pak by se spolu se selektivním činidlem mohl dodat i toxin pro tento organismus. Vznikla by tedy kouzelná kulka, která by zabíjela pouze cílový organismus.