Ernst Boris Chain wurde am 19. Juni 1906 in Berlin geboren, sein Vater, Dr. Michael Chain, war Chemiker und Industrieller. Er besuchte das Luisengymnasium in Berlin, wo er sich bald für Chemie interessierte, angeregt durch Besuche im Labor und in der Fabrik seines Vaters. Anschließend besuchte er die Friedrich-Wilhelm-Universität in Berlin, wo er 1930 sein Diplom in Chemie ablegte. Schon früh interessierte er sich für Biochemie und arbeitete nach seinem Abschluss drei Jahre lang an der Charité in Berlin in der Enzymforschung. Nach der Machtergreifung der Nationalsozialisten in Deutschland emigrierte er 1933 nach England. Hier verbrachte er die ersten zwei Jahre mit Arbeiten über Phospholipide an der School of Biochemistry in Cambridge unter der Leitung von Sir Frederick Gowland Hopkins, für dessen Persönlichkeit und wissenschaftliche Fähigkeiten er große Bewunderung empfand.
1935 wurde er an die Universität Oxford eingeladen, wo er an der Sir William Dunn School of Pathology arbeitete und 1936 Demonstrator und Dozent für chemische Pathologie wurde. Im Jahr 1948 wurde er zum wissenschaftlichen Direktor des Internationalen Forschungszentrums für chemische Mikrobiologie am Istituto Superiore di Sanità in Rom ernannt. Im Jahr 1961 wurde er Professor für Biochemie am Imperial College der Universität London, eine Position, die er immer noch innehat.
Seine Forschung umfasste ein breites Spektrum an Themen, zusätzlich zu den bereits erwähnten. Von 1935 bis 1939 beschäftigte er sich mit Schlangengiften, dem Tumorstoffwechsel, dem Wirkmechanismus von Lysozym und der Erfindung und Entwicklung von Methoden zur biochemischen Mikroanalyse. 1939 begann er zusammen mit H. W. (jetzt Sir Howard) Florey mit einer systematischen Untersuchung der von Mikroorganismen produzierten antibakteriellen Substanzen. Dies führte zu seiner bekanntesten Arbeit, der erneuten Untersuchung des Penicillins, das neun Jahre zuvor von Sir Alexander Fleming beschrieben worden war, und zur Entdeckung seiner chemotherapeutischen Wirkung. Später arbeitete er an der Isolierung und Aufklärung der chemischen Struktur von Penicillin und anderen natürlichen Antibiotika. Seit 1948 gehören zu seinen Forschungsthemen die Kohlenhydrat-Aminosäure-Beziehung im Nervengewebe, eine Studie über die Wirkungsweise von Insulin, die Fermentationstechnologie, 6-Aminopenicillansäure und Penicillinase-stabile Penicilline, die Produktion von Lysergsäure in Submerskultur und die Isolierung neuer Pilzmetaboliten.
Professor Chain ist Autor oder Mitautor zahlreicher wissenschaftlicher Abhandlungen und Mitwirkender an wichtigen Monographien über Penicillin und Antibiotika. Er wurde 1946 mit der Silbernen Berzelius-Medaille der Schwedischen Medizinischen Gesellschaft, der Pasteur-Medaille des Institut Pasteur und der Societé de Chimie Biologique sowie mit einem Preis des Harmsworth Memorial Fund ausgezeichnet. 1954 erhielt er den Paul-Ehrlich-Preis zum hundertsten Geburtstag, 1957 die Goldmedaille für Therapeutik der Worshipful Society of Apothecaries of London und 1962 die Marotta-Medaille der Società Chimica Italiana. Im Jahr 1949 wurde er zum Fellow der Royal Society gewählt. Er ist Träger der Ehrendoktorwürde der Universitäten von Lüttich, Bordeaux, Turin, Paris, La Plata, Cordoba, Brasilien und Montevideo und Mitglied oder Fellow zahlreicher wissenschaftlicher Gesellschaften in mehreren Ländern: Dazu gehören die Societé Philomatique, Paris; die New York Academy of Medicine; die Accademia dei Lincei und die Accademia dei XL, Rom; die Académie de Médicine, Académie des Sciences, Paris; die Real Academia de Ciencias, Madrid; das Weizmann Institute of Science, Rehovoth, Israel; das National Institute of Sciences, Indien; die Società Chimica Italiana; und die Finnish Biochemical Society.
Er ist Kommandeur der Ehrenlegion und Grande Ufficiale al Merito della Repubblica Italiana.
Professor Chain heiratete 1948 Dr. Anne Beloff. Sie haben zwei Söhne, Benjamin und Daniel, und eine Tochter, Judith. Die Musik ist eine seiner Freizeitbeschäftigungen.