Bacteriólogo e higienista alemán de la Universidad de Greifswald fue el primero en cultivar el organismo causante de la difteria, Corynebacterium diphtheriae (1884), este había sido observado previamente por el fisiólogo alemán Theodor Klebs en las gargantas de pacientes con difteria (el organismo se le conoce pues como el bacilo de Klebs-Löffler).

Estudió medicina en las Universidades de Würzburg y de Berlín, aunque tuvo que interrumpir los cursos entre 1870 y 1871 para participar en la guerra franco-alemana. Se graduó en 1874.

El aislamiento y cultivo de los bacilos puros conllevó a resolver innumerables problemas técnicos; Löffler determinó que era necesario desarrollar un medio nuevo, espesar el suero, ya que la gelatina convencional utilizada por Robert Koch requería temperaturas mucho más bajas para el patógeno de la difteria, crea así el  plasma sanguíneo coagulado utilizado para la detección de la bacteria.

Simultáneamente, junto a Émile Roux y Alexandre Yersin, indicó la existencia de la toxina diftérica, al demostrar que algunos animales eran inmunes a la enfermedad, esto fue un indicador para que Emil von Behring trabajara en el desarrollo de la antitoxina diftérica. En 1898, con Paul Frosch, demostró también que los virus podían producir enfermedades.

De 1879 a 1884, trabajó como colaborador de Robert Koch. Obtuvo una cátedra en la Universidad de Greifswald en 1888, y en 1913 en el Instituto Robert Koch de Berlín. Desde 1888 fue profesor de higiene en la Universidad de Greifswald. Fue rector de la misma desde 1903 a 1907.