Karl Landsteiner nació en Viena el 14 de junio de 1868. Su padre, Leopold Landsteiner, doctor en derecho, era un conocido periodista y editor de periódicos, que murió cuando Karl tenía seis años. Karl fue criado por su madre, Fanny Hess, a la que tenía tanta devoción que una máscara mortuoria de ella colgaba en su pared hasta su muerte. Tras dejar la escuela, Landsteiner estudió medicina en la Universidad de Viena y se graduó en 1891. Ya en su época de estudiante comenzó a realizar investigaciones bioquímicas y en 1891 publicó un trabajo sobre la influencia de la dieta en la composición de las cenizas de la sangre. Para adquirir más conocimientos de química, pasó los cinco años siguientes en los laboratorios de Hantzsch en Zúrich, Emil Fischer en Wurzburgo y E. Bamberger en Múnich.
Al regresar a Viena, Landsteiner retomó sus estudios de medicina en el Hospital General de Viena. En 1896 se convirtió en asistente de Max von Gruber en el Instituto de Higiene de Viena. Ya en esta época se interesó por los mecanismos de la inmunidad y por la naturaleza de los anticuerpos. Desde 1898 hasta 1908 ocupó el puesto de asistente en el Departamento Universitario de Anatomía Patológica de Viena, cuyo jefe era el profesor A. Weichselbaum, que había descubierto la causa bacteriana de la meningitis, y con Fraenckel había descubierto el neumococo. Aquí Landsteiner trabajó en fisiología mórbida más que en anatomía mórbida. En esto fue alentado por Weichselbaum, a pesar de las críticas de otros en este Instituto. En 1908 Weichselbaum consiguió su nombramiento como Prosector en el Wilhelminaspital de Viena, donde permaneció hasta 1919. En 1911 se convirtió en profesor de anatomía patológica en la Universidad de Viena, pero sin el sueldo correspondiente.
Hasta el año 1919, después de veinte años de trabajo en anatomía patológica, Landsteiner con una serie de colaboradores había publicado muchos trabajos sobre sus descubrimientos en anatomía mórbida y sobre inmunología. Descubrió nuevos datos sobre la inmunología de la sífilis, amplió los conocimientos sobre la reacción de Wassermann y descubrió los factores inmunológicos que denominó haptenos (entonces quedó claro que las sustancias activas de los extractos de órganos normales utilizados en esta reacción eran, de hecho, haptenos). También demostró que la causa de la poliomielitis podía transmitirse a los monos inyectándoles material preparado mediante la trituración de las médulas espinales de los niños que habían muerto de esta enfermedad, y, a falta de monos en Viena para realizar más experimentos, se dirigió al Instituto Pasteur de París, donde había monos disponibles. Su trabajo allí, junto con el realizado de forma independiente por Flexner y Lewis, sentó las bases de nuestro conocimiento sobre la causa y la inmunología de la poliomielitis.
Landsteiner hizo numerosas contribuciones tanto a la anatomía patológica, como a la histología y la inmunología, todo lo cual demostró, no sólo su meticuloso cuidado en la observación y la descripción, sino también su comprensión biológica. Pero, sin duda, su nombre siempre será honrado por su descubrimiento en 1901 de los grupos sanguíneos y su extraordinario trabajo sobre ellos, por el que recibió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1930.
En 1875 Landois había informado de que, cuando el hombre recibe transfusiones de sangre de otros animales, estos corpúsculos sanguíneos extraños se aglutinan y se rompen en los vasos sanguíneos del hombre con la liberación de hemoglobina. En 1901-1903 Landsteiner señaló que puede producirse una reacción similar cuando la sangre de un individuo humano se transfunde, no con la sangre de otro animal, sino con la de otro ser humano, y que ésta podría ser la causa del shock, la ictericia y la hemoglobinuria que habían seguido a algunos intentos anteriores de transfusiones de sangre.
Sus sugerencias, sin embargo, recibieron poca atención hasta que, en 1909, clasificó las sangres de los seres humanos en los ahora conocidos grupos A, B, AB y O y demostró que las transfusiones entre individuos de los grupos A o B no dan lugar a la destrucción de nuevas células sanguíneas y que esta catástrofe sólo se produce cuando una persona es transfundida con la sangre de otra perteneciente a un grupo diferente. Anteriormente, en 1901-1903, Landsteiner había sugerido que, dado que las características que determinan los grupos sanguíneos son hereditarias, los grupos sanguíneos pueden utilizarse para decidir casos de paternidad dudosa. Gran parte del trabajo posterior que Landsteiner y sus discípulos realizaron sobre los grupos sanguíneos y los usos inmunológicos que hicieron de ellos se llevó a cabo, no en Viena, sino en Nueva York. Porque en 1919 las condiciones en Viena eran tales que el trabajo de laboratorio era muy difícil y, viendo que no había futuro para Austria, Landsteiner obtuvo el nombramiento de prosector en un pequeño hospital católico romano en La Haya. Aquí publicó, entre 1919 y 1922, doce trabajos sobre los nuevos haptenos que había descubierto, sobre los conjugados con proteínas capaces de inducir anafilaxia y sobre problemas relacionados, y también sobre la especificidad serológica de las hemoglobinas de diferentes especies de animales. Su trabajo en Holanda llegó a su fin cuando le ofrecieron un puesto en el Instituto Rockefeller de Investigación Médica de Nueva York y se trasladó allí junto con su familia. Fue aquí donde realizó, en colaboración con Levine y Wiener, los trabajos posteriores sobre los grupos sanguíneos que ampliaron en gran medida el número de estos grupos, y aquí, en colaboración con Wiener, estudió las hemorragias en los recién nacidos, lo que condujo al descubrimiento del factor Rh en la sangre, que relaciona la sangre humana con la del mono rhesus.
Hasta el final de su vida, Landsteiner continuó investigando los grupos sanguíneos y la química de los antígenos, anticuerpos y otros factores inmunológicos que se dan en la sangre. Uno de sus grandes méritos fue introducir la química al servicio de la serología.
Riguroso en las exigencias que se hacía a sí mismo, Landsteiner poseía una energía incansable. A lo largo de su vida no dejó de hacer observaciones en muchos campos distintos a los de su trabajo principal (fue, por ejemplo, el responsable de haber introducido la iluminación de campo oscuro en el estudio de las espiroquetas). Por naturaleza algo pesimista, prefería vivir alejado de la gente.
Landsteiner se casó con Helen Wlasto en 1916. El Dr. E. Landsteiner tiene un hijo de este matrimonio.
En 1939 se convirtió en profesor emérito del Instituto Rockefeller, pero continuó trabajando con la misma energía que antes, manteniéndose ávidamente en contacto con el progreso de la ciencia. Es característico de él que muriera con la pipeta en la mano. El 24 de junio de 1943 sufrió un infarto en su laboratorio y murió dos días después en el hospital del Instituto en el que había realizado tan distinguida labor.