Ernst Boris Chain werd op 19 juni 1906 in Berlijn geboren. Zijn vader, Dr. Michael Chain, was chemicus en industrieel. Hij werd opgeleid aan het Luisengymnasium in Berlijn, waar hij al snel belangstelling kreeg voor chemie, gestimuleerd door bezoeken aan het laboratorium en de fabriek van zijn vader. Vervolgens bezocht hij de Friedrich-Wilhelm-Universiteit te Berlijn, waar hij in 1930 afstudeerde in de scheikunde. Hij was van jongs af aan geïnteresseerd in biochemie en na zijn afstuderen werkte hij drie jaar in het Charité-ziekenhuis in Berlijn aan onderzoek naar enzymen. In 1933, na de machtsovername door het nazi-regime in Duitsland, emigreerde hij naar Engeland. Hier werkte hij de eerste twee jaar aan fosfolipiden aan de School of Biochemistry, Cambridge, onder leiding van Sir Frederick Gowland Hopkins, voor wiens persoonlijkheid en wetenschappelijke bekwaamheid hij grote bewondering kreeg.
In 1935 werd hij uitgenodigd naar de Universiteit van Oxford te komen, waar hij werkte aan de Sir William Dunn School of Pathology, waar hij in 1936 demonstrateur en docent in de chemische pathologie werd. In 1948 werd hij benoemd tot wetenschappelijk directeur van het Internationaal Onderzoekscentrum voor Chemische Microbiologie aan het Istituto Superiore di Sanità te Rome. In 1961 werd hij hoogleraar biochemie aan het Imperial College, University of London, welke functie hij nog steeds bekleedt.
Zijn onderzoek bestreek, naast de reeds genoemde, een breed scala van onderwerpen. Van 1935 tot 1939 werkte hij aan slangengif, het metabolisme van tumoren, het werkingsmechanisme van lysozym en de uitvinding en ontwikkeling van methoden voor biochemische microanalyse. In 1939 begon hij, samen met H.W. (nu Sir Howard) Florey, een systematische studie van door micro-organismen geproduceerde antibacteriële stoffen. Dit leidde tot zijn bekendste werk, het heronderzoek van penicilline, dat negen jaar eerder was beschreven door Sir Alexander Fleming, en tot de ontdekking van de chemotherapeutische werking ervan. Later werkte hij aan de isolatie en de opheldering van de chemische structuur van penicilline en andere natuurlijke antibiotica. Sinds 1948 omvatte zijn onderzoek onder meer de relatie tussen koolhydraten en aminozuren in zenuwweefsel, een studie van de werking van insuline, gistingstechnologie, 6-aminopenicillinezuur en penicillinase-stabiele penicillines, de productie van lyserginezuur in ondergedompelde cultuur, en de isolatie van nieuwe schimmelmetabolieten.
Professor Chain is auteur of medeauteur van vele wetenschappelijke artikelen en heeft bijgedragen aan belangrijke monografieën over penicilline en antibiotica. In 1946 ontving hij de zilveren Berzelius-medaille van het Zweeds Medisch Genootschap, de Pasteur-medaille van het Institut Pasteur en van de Societé de Chimie Biologique, en een prijs van het Harmsworth Memorial Fund. In 1954 werd hem de Paul Ehrlich Centenary Prize toegekend; in 1957 de Gold Medal for Therapeutics van de Worshipful Society of Apothecaries of London; en in 1962 de Marotta Medal van de Società Chimica Italiana. In 1949 werd hij verkozen tot Fellow van de Royal Society. Hij heeft eredoctoraten van de universiteiten van Luik, Bordeaux, Turijn, Parijs, La Plata, Cordoba, Brazilië en Montevideo, en is lid of fellow van vele wetenschappelijke genootschappen in verschillende landen: Daartoe behoren de Societé Philomatique, Parijs; de New York Academy of Medicine; de Accademia dei Lincei en de Accademia dei XL, Rome; de Académie de Médicine, Académie des Sciences, Parijs; de Real Academia de Ciencias, Madrid; het Weizmann Institute of Science, Rehovoth, Israël; het National Institute of Sciences, India; de Società Chimica Italiana; en de Finnish Biochemical Society.
Hij is Commandeur van het Légion d’Honneur en Grande Ufficiale al Merito della Repubblica Italiana.
Professor Chain trouwde in 1948 met Dr. Anne Beloff. Zij hebben twee zonen, Benjamin en Daniel, en een dochter, Judith. Muziek is een van zijn hobby’s.