W roku 1885 opublikował pracę Das Sauerstoff-Bedürfniss des Organismus, w której sformułował tezę, że zużycie tlenu jest zależne od rodzaju tkanki oraz że jest to miernik intensywności procesów życiowych komórek. W 1887 roku został zatrudniony jako Privatdozent na Wydziale Medycyny Uniwersytetu w Berlinie. Ehrlich popadł w kryzys zawodowy, ponieważ nie dogadywał się z następcą Frerichsa, Carlem Gerhardtem, a także zachorował na gruźlicę, którą wyleczył w Egipcie. W 1889 r. stracił pracę i założył prywatną praktykę oraz małe laboratorium w Berlinie. W 1890 r. został mianowany adiunktem na Uniwersytecie Fryderyka-Wilhelma. W 1891 roku Robert Koch sprowadził go do swojego , gdzie skoncentrował się na tematyce badawczej dotyczącej odporności. Opracował m.in. tzw. teorię łańcuchów bocznych, opisującą sposób, w jaki powstają przeciwciała i jak reagują one z innymi substancjami. Na potrzeby nowego obszaru pracy w 1896 r. w Steglitz koło Berlina utworzono Instytut Badań i Testów Serum, którego dyrektorem został Ehrlich. W tym samym roku Ehrlich został również powołany do „Tajnej Rady Lekarskiej”.