Ernst Boris Chain föddes den 19 juni 1906 i Berlin. Hans far, dr Michael Chain, var kemist och industriman. Han fick sin utbildning vid Luisengymnasiet i Berlin, där han snart började intressera sig för kemi, stimulerad av besök i faderns laboratorium och fabrik. Därefter studerade han vid Friedrich-Wilhelm-universitetet i Berlin, där han tog examen i kemi 1930. Han var tidigt intresserad av biokemi och efter examen arbetade han i tre år på Charité-sjukhuset i Berlin med enzymforskning. År 1933, efter att nazistregimen i Tyskland tagit makten, emigrerade han till England. Här tillbringade han sina två första år med att arbeta med fosfolipider vid School of Biochemistry, Cambridge, under ledning av Sir Frederick Gowland Hopkins, vars personlighet och vetenskapliga förmåga han kom att hysa stor beundran för.
1935 blev han inbjuden till Oxfords universitet där han arbetade vid Sir William Dunn School of Pathology, och 1936 blev han demonstratör och föreläsare i kemisk patologi. År 1948 utsågs han till vetenskaplig direktör för det internationella forskningscentret för kemisk mikrobiologi vid Istituto Superiore di Sanità i Rom. Han blev 1961 professor i biokemi vid Imperial College, University of London, en position som han fortfarande innehar.
Hans forskning har omfattat ett brett spektrum av ämnen utöver dem som redan beskrivits. Mellan 1935 och 1939 arbetade han med ormgifter, tumörmetabolism, lysozymets verkningsmekanism samt uppfinning och utveckling av metoder för biokemisk mikroanalys. År 1939 inledde han tillsammans med H. W. (numera Sir Howard) Florey en systematisk studie av antibakteriella ämnen som produceras av mikroorganismer. Detta ledde till hans mest kända arbete, nämligen att på nytt undersöka penicillin, som hade beskrivits av Sir Alexander Fleming nio år tidigare, och att upptäcka dess kemoterapeutiska verkan. Senare arbetade han med att isolera och klarlägga den kemiska strukturen hos penicillin och andra naturliga antibiotika. Sedan 1948 har hans forskningsämnen innefattat kolhydrat-aminosyraförhållandet i nervvävnad, en studie av insulinets verkningsmekanism, fermenteringsteknik, 6-aminopenicillansyra och penicillinasstabila penicilliner, produktion av lysergsyra i submerskultur och isolering av nya svampmetaboliter.
Professor Chain är författare eller medförfattare till många vetenskapliga artiklar och bidragsgivare till viktiga monografier om penicillin och antibiotika. Han tilldelades 1946 Svenska Läkaresällskapets Berzeliusmedalj i silver, Pasteurmedaljen från Institut Pasteur och Societé de Chimie Biologique samt ett pris från Harmsworth Memorial Fund. År 1954 tilldelades han Paul Ehrlich Centenary Prize, 1957 Gold Medal for Therapeutics of the Worshipful Society of Apothecaries of London och 1962 Marotta Medal of the Società Chimica Italiana. Han valdes till ledamot av Royal Society 1949. Han är hedersdoktor vid universiteten i Liège, Bordeaux, Turin, Paris, La Plata, Cordoba, Brasilien och Montevideo och är medlem eller fellow i många lärda sällskap i flera länder: Bland dessa kan nämnas Societé Philomatique, Paris, New York Academy of Medicine, Accademia dei Lincei och 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 och Finnish Biochemical Society.
Han är kommendör av honnörslegionen och Grande Ufficiale al Merito della Repubblica Italiana.
Professor Chain gifte sig 1948 med dr Anne Beloff. De har två söner, Benjamin och Daniel, och en dotter, Judith. Musik är ett av hans fritidsintressen.