Nasceu em Hamburgo e foi educado em Heidelberg, na Alemanha. Dedicou-se à Botânica, porém, em vez de focar suas pesquisas em classificações, como faziam os botânicos contemporâneos, estudou a estrutura das plantas observando-as ao microscópio.
Tornou-se conhecido por ter desenvolvido, juntamente com Theodor Schwann, a teoria celular. Reconheceu a importância do núcleo na divisão celular e, em 1863, tornou-se professor de Botânica na Universidade de Tartu, à época conhecida como Universidade de Dorpat, localizada na atual Estônia. Faleceu em Frankfurt, na Alemanha, em 1881.
Na segunda metade do século XIX a teoria celular enfrentou diversos questionamentos, entre eles o do botânico alemão Julius von Sachs (1832-1897), que trouxe importantes contribuições às pesquisas em fisiologia vegetal, além de fazer várias descobertas sobre a fotossíntese.
Von Sachs discordava da ideia de que um organismo fosse apenas a soma de suas células e propôs o que ficou conhecido como teoria orgânica.
De acordo com essa teoria, o conjunto de células de um organismo adquire propriedades muito diferentes daquelas que as células isoladas possuem, o que chamamos hoje de propriedades emergentes.
A formulação moderna da teoria celular admite parte das duas teorias originais, tanto a de von Sachs como a de Schleiden e Schwann.