Virchow studierte Medizin in Berlin an der Pepinière, der Ausbildungsstätte für Militärärzte. 1846 Prosektor am Pathologischen Institut der Berliner Charité. 1847 Habilitation. 1848 Untersuchung einer Fleckfieberepidemie in Oberschlesien im Auftrage der Regierung. Seine Kritik der hygienischen Unterlassungssünden der Regierung und seine Teilnahme an der Revolution von 1848 führten zu vorübergehender Entlassung, die ihn veranlaßte, 1849 einen Ruf als Ordinarius für pathologische Anatomie in Würzburg anzunehmen. 1859 kehrte er auf den Lehrstuhl der Pathologie nach Berlin zurück.

Führender Pathologe des 19. Jahrhunderts. Begründer der Zellularpathologie, d. h. der Lehre, daß Gewebezellen die Grundeinheit darstellen, deren Struktur und Funktion bei Krankheiten gestört ist. Abgesehen vom Unterricht und von seiner wissenschaftlichen Tätigkeit, die zu zahlreichen Entdeckungen über das Wesen vieler Krankheiten führte, fand er Zeit für Teilnahme an der Politik. Er war Mitglied des Berliner Stadtparlamentes (1859), des Preußischen Abgeordnetenhauses (1862) und später des Reichstages (1880). Er vertrat liberale Ideen und war Fürsprecher für soziale Reformen, besonders praktische Hygiene. Archäologie und Anthropologie gehörten zu seinen Forschungsgebieten von 1866 an.