Deschizător de drum în medicina şi biologia universală, creator al școlii românești de morfopatologie şi microbiologie, este fiul magistratului imperial Vincenţiu Babeş, luptător activ pentru drepturile naționale ale românilor transilvăneni. Urmează studii medicale la Budapesta şi Viena, unde şi-a luat şi doctoratul în medicină; şi-a continuat specializarea la München, Heidelberg, Strassbourg, Paris şi Berlin (1882–1886). A fost asistent (1874–1881) şi profesor (1885–1887) la Catedra de histopatologie a Facultății de Medicină din Budapesta, profesor de anatomie patologică şi bacteriologie la Facultatea de Medicină din București (1887–1926). În 1887 a pus bazele Institutului de Patologie şi Bacteriologie din București – primul institut de cercetări științifice înființat în România, în cadrul căruia a organizat în 1888 al doilea centru de vaccinare antirabică din lume, după cel creat de Louis Pasteur la Paris.

În 1885 a publicat, împreună cu savantul francez A. V. Cornil, cel dintâi tratat de bacteriologie din lume. A adus contribuții esențiale la studiul turbării, leprei, difteriei, tuberculozei, malariei, pelagrei, descoperind corpusculii virotici din celulele creierului animalelor turbate („corpusculii Babeş-Negri”) şi peste 50 de germeni patogeni noi.

A fost considerat de însuși Pasteur drept unul dintre cei mai competenți specialiști în problemele turbării, datorită atât studiilor referitoare la anatomia patologică a acestei afecțiuni, cât şi a perfecționărilor aduse tehnicii de vaccinare antirabică, punând bazele experimentale şi clinice ale seroterapiei; a introdus în România vaccinarea antirabică la numai trei ani de la inițierea ei (tratament asociat: vaccin şi ser antirabic, cunoscut drept „metoda română de tratament antirabic“).

În 1895 a formulat principiul serovaccinării. În laboratorul său, a preparat diverse săruri şi vaccinuri pentru prevenirea şi combaterea în masă a unor boli transmisibile. A fost unul dintre promotorii activi ai medicinii sociale din România, interesându-se îndeaproape de alimentarea cu apă a orașelor şi satelor, organizarea luptei antiepidemice etc.

A inventat un nou tip de termostat, precum şi o serie de metode de colorare a bacteriilor şi ciupercilor din culturi şi din preparatele histologice.

A fost al doilea după L. Pasteur care a studiat „concurența vitală“ dintre speciile bacteriene şi a introdus pentru prima oară în lume tehnica antibiogramei.

Donator al Academiei Române în 1924, a lăsat prin testament o sumă destinată premierii celor mai bune lucrări în domeniul biologiei, de aceea unul dintre premiile anuale ale Academiei poartă numele său.