Ernst Boris Chain urodził się 19 czerwca 1906 r. w Berlinie, jego ojciec, dr Michael Chain, był chemikiem i przemysłowcem. Kształcił się w Luisengymnasium w Berlinie, gdzie szybko zainteresował się chemią, do czego zachęciły go wizyty w laboratorium i fabryce ojca. Następnie uczęszczał na Uniwersytet Friedricha-Wilhelma w Berlinie, gdzie w 1930 r. ukończył studia chemiczne. Od wczesnych lat interesował się biochemią i po ukończeniu studiów przez trzy lata pracował w szpitalu Charité w Berlinie nad badaniami enzymów. W 1933 r., po dojściu do władzy reżimu nazistowskiego w Niemczech, wyemigrował do Anglii. Tutaj, jego pierwsze dwa lata spędził pracując na fosfolipidy w School of Biochemistry, Cambridge, pod kierunkiem Sir Frederick Gowland Hopkins, dla którego osobowości i zdolności naukowych przyszedł mieć wielki admiration.
W 1935 roku został zaproszony do Oxford University, gdzie pracował w Sir William Dunn School of Pathology, stając się, w 1936 roku, demonstrator i wykładowca w patologii chemicznej. W 1948 r. został mianowany dyrektorem naukowym Międzynarodowego Centrum Badań Mikrobiologii Chemicznej w Istituto Superiore di Sanità w Rzymie. W 1961 r. został profesorem biochemii w Imperial College, University of London, które to stanowisko zajmuje do dziś.
Jego badania obejmowały szeroki zakres tematów oprócz tych już wyszczególnionych. W latach 1935-1939 pracował nad jadami węży, metabolizmem nowotworów, mechanizmem działania lizozymu oraz nad wynalezieniem i rozwojem metod mikroanalizy biochemicznej. W 1939 r. rozpoczął, wraz z H. W. (obecnie Sir Howard) Floreyem, systematyczne badania nad substancjami antybakteryjnymi wytwarzanymi przez mikroorganizmy. Doprowadziło to do jego najbardziej znanej pracy, ponownego zbadania penicyliny, która została opisana przez Sir Alexandra Fleminga dziewięć lat wcześniej, oraz do odkrycia jej działania chemioterapeutycznego. Później pracował nad wyodrębnieniem i wyjaśnieniem struktury chemicznej penicyliny i innych naturalnych antybiotyków. Od 1948 roku jego tematy badawcze obejmowały związek węglowodanów i aminokwasów w tkance nerwowej, badanie sposobu działania insuliny, technologię fermentacji, kwas 6-aminopenicylanowy i penicyliny stabilne penicyliny, produkcję kwasu lizergowego w hodowli zanurzonej oraz izolację nowych metabolitów grzybów.
Profesor Chain jest autorem lub współautorem wielu prac naukowych oraz współautorem ważnych monografii na temat penicyliny i antybiotyków. W 1946 roku otrzymał Srebrny Medal Berzeliusa od Szwedzkiego Towarzystwa Medycznego, Medal Pasteura od Instytutu Pasteura i Societé de Chimie Biologique oraz nagrodę od Harmsworth Memorial Fund. W 1954 r. otrzymał Paul Ehrlich Centenary Prize, w 1957 r. Złoty Medal za Terapię Worshipful Society of Apothecaries of London, a w 1962 r. Medal Marotta Società Chimica Italiana. W 1949 r. został wybrany na członka Royal Society. Posiada tytuły honorowe uniwersytetów w Liège, Bordeaux, Turynie, Paryżu, La Plata, Cordobie, Brazylii i Montevideo, jest członkiem lub współpracownikiem wielu towarzystw naukowych w wielu krajach: należą do nich Societé Philomatique, Paryż; New York Academy of Medicine; Accademia dei Lincei i Accademia dei XL, Rzym; Académie de Médicine, Académie des Sciences, Paryż; Real Academia de Ciencias, Madryt; Weizmann Institute of Science, Rehovoth, Izrael; National Institute of Sciences, Indie; Società Chimica Italiana; i Finnish Biochemical Society.
Jest komandorem Légion d’Honneur i Grande Ufficiale al Merito della Repubblica Italiana.
Profesor Chain ożenił się z dr Anne Beloff w 1948 roku. Mają dwóch synów, Benjamina i Daniela, oraz jedną córkę, Judith. Muzyka jest jedną z jego rozrywek.