Ernst Boris Chain nació el 19 de junio de 1906 en Berlín, siendo su padre, el Dr. Michael Chain, químico e industrial. Estudió en el Luisengymnasium de Berlín, donde pronto se interesó por la química, estimulado por las visitas al laboratorio y la fábrica de su padre. A continuación asistió a la Universidad Friedrich-Wilhelm de Berlín, donde se licenció en química en 1930. Desde muy joven se interesó por la bioquímica y, tras su graduación, trabajó durante tres años en el Hospital Charité de Berlín en la investigación de enzimas. En 1933, tras la llegada al poder del régimen nazi en Alemania, emigró a Inglaterra. Aquí, sus dos primeros años los pasó trabajando en fosfolípidos en la Escuela de Bioquímica de Cambridge, bajo la dirección de Sir Frederick Gowland Hopkins, por cuya personalidad y capacidad científica llegó a sentir una gran admiración.
En 1935 fue invitado a la Universidad de Oxford, donde trabajó en la Escuela de Patología Sir William Dunn, convirtiéndose, en 1936, en demostrador y profesor de patología química. En 1948 fue nombrado Director Científico del Centro Internacional de Investigación en Microbiología Química del Istituto Superiore di Sanità de Roma. En 1961 fue nombrado catedrático de bioquímica en el Imperial College de la Universidad de Londres, cargo que sigue ocupando.
Sus investigaciones han abarcado una amplia gama de temas, además de los ya detallados. De 1935 a 1939 trabajó en los venenos de serpiente, el metabolismo de los tumores, el mecanismo de acción de la lisozima y la invención y desarrollo de métodos para el microanálisis bioquímico. En 1939 inició, con H. W. (ahora Sir Howard) Florey, un estudio sistemático de las sustancias antibacterianas producidas por los microorganismos. Esto le llevó a su trabajo más conocido, la reinvestigación de la penicilina, que había sido descrita por Sir Alexander Fleming nueve años antes, y al descubrimiento de su acción quimioterapéutica. Más tarde trabajó en el aislamiento y la elucidación de la estructura química de la penicilina y otros antibióticos naturales. Desde 1948 sus temas de investigación han incluido la relación carbohidrato-aminoácido en el tejido nervioso, un estudio del modo de acción de la insulina, la tecnología de la fermentación, el ácido 6-aminopenicilánico y las penicilinas estables a la penicilina, la producción de ácido lisérgico en cultivo sumergido y el aislamiento de nuevos metabolitos fúngicos.
El profesor Chain es autor o coautor de muchos artículos científicos y colaborador de importantes monografías sobre la penicilina y los antibióticos. En 1946 recibió la Medalla Berzelius de Plata de la Sociedad Médica Sueca, la Medalla Pasteur del Instituto Pasteur y de la Societé de Chimie Biologique, y un premio del Harmsworth Memorial Fund. En 1954 recibió el Premio del Centenario Paul Ehrlich; en 1957 la Medalla de Oro de la Terapia de la Worshipful Society of Apothecaries de Londres; y en 1962 la Medalla Marotta de la Società Chimica Italiana. Fue elegido miembro de la Royal Society en 1949. Es doctor honoris causa de las universidades de Lieja, Burdeos, Turín, París, La Plata, Córdoba, Brasil y Montevideo, y es miembro o socio de numerosas sociedades científicas de varios países: Entre ellas se encuentran la Societé Philomatique, de París; la Academia de Medicina de Nueva York; la Accademia dei Lincei y la Accademia dei XL, de Roma; la Académie de Médicine, la Académie des Sciences, de París; la Real Academia de Ciencias, de Madrid; el Weizmann Institute of Science, de Rehovoth, Israel; el National Institute of Sciences, de la India; la Società Chimica Italiana; y la Finnish Biochemical Society.
Es Comandante de la Legión de Honor y Grande Ufficiale al Merito della Repubblica Italiana.
El profesor Chain se casó con la Dra. Anne Beloff en 1948. Tienen dos hijos, Benjamin y Daniel, y una hija, Judith. La música es uno de sus entretenimientos.