В 1878 году Пауль закончил Лейпцигский университет и получил диплом. Среди его учителей было много выдающихся ученых, таких как Куссмауль, Бирмер, Конхейм, Гайденгайден, Фишер, Байер.
С 1878 по 1887 год проработал Эрлих врачем, а затем заведующим отделением в известной берлинской университетской клинике Шарите. Одновременно он продолжал лабораторные исследования, в том числе с туберкулёзной палочкой Коха. Вероятно, в результате лабораторного заражения у Эрлиха возник легочный туберкулёзный процесс и он вынужден был оставить работу в университетской клинике. Почти два года он провел в сухом климате Египта, что позволило ему остановить развитие болезни. Но его нашла другая болезнь – сахарный диабет.
В 1885 году Эрлих защитил докторскую диссертацию на медицинском факультете Берлинского университета на тему «Потребность организма в кислороде», но он уже не вернулся на работу в клинику Шарите. Молодой доктор открыл небольшую частную исследовательскую лабораторию, которая просуществовала около трех лет.
В 1890 году Роберт Кох предложил ему возглавить лабораторию по изучению туберкулина в Институте инфекционных болезней. Совместная работа трех талантливых ученых – Роберта Коха, Эмиля Беринга и Пауля Эрлиха – позволила создать: противодифтерийную сыворотку, столбнячный антитоксин и другие диагностические и лечебные препараты.
В начале своей научной деятельности молодой врач Пауль Эрлих совершенно не интересовался лечением больных, а усиленно занимался исследованием бактерий. Он окрашивал колонии бактерий на стекле, ткани животных, погибших от заразных болезней, и, наконец, решил окрасить бактерии, находящиеся в живом организме.
С этой целью Эрлих ввел в кровь зараженного кролика химическое соединение, известное под названием метиленблау. Каково же было изумление ученого, когда во время вскрытия трупа животного он убедился, что мозг и все нер вы окрашены в голубой цвет, тогда как все другие ткани остались неокрашенными. Неужели краситель соединяется только с определенным видом живых тканей?
Чтобы объяснить это явление, Эрлих занялся изучением химии, и после кропотливых исследований открыл истинную причину странного явления. Для практического применения красителя необходимо, чтобы в его составе, кроме активно-красящего вещества был его носитель, который вступает в химическую реакцию с живыми клетками. Эрлих стал искать такое вещество, которое входило бы в реакцию с бактериями, и не соединялось бы с тканями организма.
Свои опыты Эрлих проводил со спирохетами, которыми заражал мышей. Потом применял различные красители, стремясь вылечить больных мышей. Он испытал свыше сотни красителей, но удовлетворительных результатов не получил.