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.

Тогда ученый стал проводить опыты с соединениями мышьяка и только шестьсот шестой состав оказался действенным. Спирохеты погибали сразу же после введения препарата в кровь животных, причем животные от этих вливаний не страдали.

Препарат был применен впервые 31 августа 1909 года к кроликам, зараженным спирохетой сифилиса. Уже на следующий день в крови подопытных кроликов нельзя было найти бактерий, а через месяц все животные выздоровели. Препарат этот получил название «606» или сальварсан, от латинского сальво – спасать и арсен – мышьяк. Препарат был испробован на людях, причем оказалось, что он почти безвреден для организма, уничтожает спирохеты и не вызывает побочных явлений. Таким образом, сифилис, в борьбе с которым врачи были бессильны многие века, оказался излечимым.

Однако лечение сальварсаном было очень трудным, потому, что этот препарат нерастворим в воде и его нельзя вводить непосредственно в кровь. Понимая несовершенство такого лекарства, Эрлих продолжал поиски. И только 914-й препарат, опробованный им на животных, оказался растворимым в воде, простым в употреблении и хорошо усаивался организмом.

Появление сальварсана получило широкое одобрение, хотя в дальнейшем это вещество подверглось критике исследователями, обнаружившими, что, когда оно назначается в недостаточных дозах, спирохеты становятся невосприимчивыми к нему. После дальнейших исследований Эрлих в 1912 году разработал видоизмененный вариант этого препарата – неосальварсан. Этот высокоэффективный лекарственный препарат вскоре получил широкое распространение, а Эрлих – всеобщее признание.

Пауль Эрлих первым в мире применил химические соединения для борьбы с инфекционными заболеваниями. Его метод получил название «химиотерапии». За научные достижения, еще до открытия сальварсана, в 1908 году Пауль Эрлих стал лауреатом Нобелевской премии (совместно с И. И. Мечниковым) за работы в области иммунологии.

Пауль Эрлих работал в эпоху бурного расцвета бактериологии и открытия новых микробных возбудителей болезней. Однако ученого интересовали защитные механизмы против бактерий и их токсинов, а также и против растительных ядов. Он разработал теорию образования антител и биохимических рецепторов в клетках и тканях, взаимодействия антигенов и антител по принципу «замок – ключ». Его идеи о циркулирующих в крови и других жидкостях специфических защитных веществах послужили теоретической основой серотерапии, способствовавшей спасению многих тысяч жизней от дифтерии, столбняка, ящура и других инфекций.

Велики заслуги Эрлиха и его школы в развитии гистологии и гематологии. Он ввел окраску клеток и тканей гематоксилин-эозином, метиленовой синью и флюоресцеином, выделил разнообразие клеток эритроцитарного ряда и мегалобластов, их значение в диагностике пернициозной анемии Аддисон-Бирмера. Эрлихом были описаны пароксизмальная гемоглобинурия и внутрисосудистый гемолиз, введено понятие гемолизинов. Он открыл гемато-энцефалитический баръер, изучал механизм кроветворения. Он доказал различное происхождение лимфоцитов и лейкоцитов, описал базо– и эозинофилы крови.