Ernst Boris Chain blev født den 19. juni 1906 i Berlin, hvor hans far, Dr. Michael Chain, var kemiker og industrimand. Han blev uddannet på Luisengymnasium i Berlin, hvor han hurtigt begyndte at interessere sig for kemi, stimuleret af besøg i sin fars laboratorium og fabrik. Derefter gik han på Friedrich-Wilhelm-universitetet i Berlin, hvor han tog eksamen i kemi i 1930. Han var fra en tidlig alder interesseret i biokemi, og efter sin eksamen arbejdede han i tre år på Charité-hospitalet i Berlin med enzymforskning. I 1933, efter at det nazistiske regime i Tyskland var kommet til magten, emigrerede han til England. Her arbejdede han de første to år med fosfolipider på School of Biochemistry, Cambridge, under ledelse af Sir Frederick Gowland Hopkins, hvis personlighed og videnskabelige evner han kom til at have stor beundring for.
I 1935 blev han inviteret til Oxford University, hvor han arbejdede på Sir William Dunn School of Pathology, og i 1936 blev han demonstrator og lektor i kemisk patologi. I 1948 blev han udnævnt til videnskabelig direktør for det internationale forskningscenter for kemisk mikrobiologi ved Istituto Superiore di Sanità i Rom. Han blev professor i biokemi ved Imperial College, University of London, i 1961, en stilling, som han stadig har.
Hans forskning har omfattet en lang række emner ud over dem, der allerede er beskrevet. Fra 1935 til 1939 arbejdede han med slangegift, tumormetabolisme, lysozymets virkningsmekanisme samt opfindelse og udvikling af metoder til biokemisk mikroanalyse. I 1939 påbegyndte han sammen med H. W. (nu Sir Howard) Florey en systematisk undersøgelse af antibakterielle stoffer, der produceres af mikroorganismer. Dette førte til hans mest kendte arbejde, nemlig genundersøgelsen af penicillin, der var blevet beskrevet af Sir Alexander Fleming ni år tidligere, og til opdagelsen af dets kemoterapeutiske virkning. Senere arbejdede han på at isolere og klarlægge den kemiske struktur af penicillin og andre naturlige antibiotika. Siden 1948 har hans forskningsemner omfattet kulhydrat-aminosyreforholdet i nervevæv, en undersøgelse af insulins virkemåde, fermenteringsteknologi, 6-aminopenicillansyre og penicillinase-stabile penicilliner, produktion af lyserginsyre i submerskultur og isolering af nye svampemetabolitter.
Professor Chain er forfatter eller medforfatter til mange videnskabelige artikler og bidragyder til vigtige monografier om penicillin og antibiotika. Han blev i 1946 tildelt den svenske lægeforenings Berzelius-medalje i sølv, Pasteur-medaljen fra Institut Pasteur og Societé de Chimie Biologique samt en pris fra Harmsworth Memorial Fund. I 1954 modtog han Paul Ehrlich Centenary Prize, i 1957 Gold Medal for Therapeutics fra Worshipful Society of Apothecaries of London og i 1962 Marotta Medal of the Società Chimica Italiana. Han blev valgt til medlem af Royal Society i 1949. Han har æresgrader fra universiteterne i Liège, Bordeaux, Torino, Paris, La Plata, Cordoba, Brasilien og Montevideo og er medlem eller fellow af mange lærde selskaber i adskillige lande: Disse omfatter Societé Philomatique, Paris; New York Academy of Medicine; Accademia dei Lincei og Accademia dei XL, Rom; Académie de Médicine, Académie des Sciences, Paris; Real Academia de Ciencias, Madrid; Weizmann Institute of Science, Rehovoth, Israel; National Institute of Sciences, Indien; Società Chimica Italiana; og det finske biokemiske selskab.
Han er kommandør af Honnørlegionen og Grande Ufficiale al Merito della Repubblica Italiana.
Professor Chain blev gift med Dr. Anne Beloff i 1948. De har to sønner, Benjamin og Daniel, og en datter, Judith. Musik er en af hans fritidsinteresser.