Nach Abschluss seines Medizinstudiums promovierte er 1843 in dem Teilgebiet der Pathologie mit der Arbeit DE RHEUMATE PRAESERTIM CORNEAE an der Berliner Charité. Er war Stipendiat der Berliner Militärärzte-Akademie Pepinière. Danach arbeitete er in der Prosektur der Berliner Charité. 1848 beteiligte er sich aktiv an der Märzrevolution. Dadurch wurde seine Stellung in Berlin unhaltbar, und er war gezwungen, einen Ruf an die Universität Würzburg anzunehmen. (Auch andere Universitäten, darunter die ETH Zürich, hatten ihm die Übernahme eines Lehrstuhls angeboten).

Virchow lehrte ab 1849 an der Universität Würzburg. 1856 kehrte er nach Berlin zurück und übernahm er das neu geschaffene Ordinariat für Pathologie sowie wieder seine alte Stellung als Prosektor an der Charité und blieb dort 46 Jahre bis zu seinem Tod. Er baute die vorhandene pathologisch-anatomische Sammlung aus und ab 1899 konnte diese in dem neu errichteten Pathologischen Museum – dem heutigen Berliner Medizinhistorischen Museum an der Charité – von der interessierten Öffentlichkeit besichtigt werden.

1858 veröffentlichte er seine Theorie der Zellularpathologie, die besagt, dass Krankheiten auf Störungen der Körperzellen basieren. Die Erkenntnis brachte ihm Weltruhm ein.

Er arbeitete außerdem als Medizinhistoriker und als praktischer Hygieniker; in dieser Funktion beriet er deutsche und ausländische Regierungen in Seuchenfragen. Er sorgte für die Einführung der obligatorischen Trichinenschau in Preußen und war maßgeglich daran beteiligt, dass Berlin in den 1870er Jahren eine moderne, beispielgebende Abwasserentsorgung und Trinkwasserversorgung erhielt. Zusätzlich war er als liberaler Politiker Mitglied in der Berliner Stadtverordnetenversammlung, in dem preußischen Abgeordnetenhaus und in dem Reichstag. Er war ein Gründungsmitglied und Vorsitzender der Fortschrittspartei. Als Sozialreformer hat er sich einen Namen gemacht. Politisch war er ein entschiedener Gegner Bismarcks (von ihm wurde er sogar zu einem Duell gefordert, das allerdings nie stattfand). Er setzte sich für die kommunale Selbstverwaltung ein, für Minderheitenrechte (u.a. der zahlenmäßig starken polnischen Bevölkerungsgruppe in Preußen) und bekämpfte entschieden aufkommende antisemitische Tendenzen. Ein politisches Credo von ihm war: Freiheit mit ihren Töchtern Bildung und Wohlstand. Sein Absicht war eine humanistische Gesellschaft und eine soziale Medizin, die beide auf dem Boden einer naturwissenschaftlichen Aufklärung stehen sollten.

Daneben betätigte er sich noch in vielfältiger Weise auf den Gebieten der Anthropologie, Ethnologie und Archäologie. Er war Freund und Förderer von Heinrich Schliemann. Zusammen mit Adolf Bastian und R. Hartmann gründete er in dem November (1869) die "Berliner Anthropologische Gesellschaft", später umbenannt in "Berliner Gesellschaft für Anthropologie, Ethnologie und Urgeschichte"; die Gründung der "Deutschen Gesellschaft für Anthropologie, Ethnologie und Urgeschichte" folgte 1870. Zudem war er auch noch als Publizist aktiv und gab mehrere Zeitschriften heraus.

• Da sie angeblich seiner Zellularpathologie widersprach, stand er den Erkenntnissen der Mikrobiologie als Krankheitsursache sehr skeptisch gegenüber.
• Die Evolutionstheorie Darwins sah er als interessantes Denkmodell an. Insgesamt konnte er sich aber nicht dafür erwärmen.

• "Jede Zelle kann ca. aus einer anderen Zelle entstehen (Omnis cellula e cellula)"
• Alles Leben besteht aus Zellen. "Rücken wir bis an die letzten Grenzen vor, an denen es noch Elemente mit dem Charakter der Totalität oder wenn man will, der Einheit gibt, so bleiben wir bei den Zellen stehen. ... Ich kann nicht anders sagen, als dass sie die vitalen Elemente sind, aus denen sich die Gewebe, die Organe, die Systeme, das ganze Individuum zusammensetzen".
• "Die naturwissenschaftliche Frage ist die logische Hypothese, welche von einem bekannten Gesetz durch Analogie und Induction weiterschreitet; die Antwort darauf giebt das Experiment, welches in der Frage selbst vorgeschrieben liegt. ... Die Naturforschung setzt also Kenntnis der Thatsachen, logisches Denken und Material voraus; diese drei, in methodischer Verknüpfung, erzeugen die Naturwissenschaft".
• "Wer kann sich darüber wundern, dass die Demokratie und der Socialismus nirgend mehr Anhänger fand, als unter den Aerzten? dass überall auf der äußersten Linken, zu dem Theil an der Spitze der Bewegung, Aerzte stehen? die Medicin ist eine sociale Wissenschaft, und die Politik ist weiter nichts, als Medicin in dem Grossen".
• "Soll die Schule irgend gedeihen, so muss sie ganz und ohne Rückhalt dem Klerus entzogen werden und an die Stelle pfäffischer Ãœberlieferung ein freisinniger Unterricht treten, dessen Grundlage die positive Naturanschauung bildet".