V. wirkte nach dem Studium an der Militärztlichen Akademie ab 1843 zunächst als Unterarzt an der Charité und habilitierte sich 1847. Wegen seines Wirkens auf seiten der Demokraten in der 1848er Revolution vom Dienst suspendiert, ging er 1849 nach Würzburg. Er erhielt 1856 seine Rückberufung an die Charité, wo er ordentlicher Professor, Direktor des neugegründeten Pathologischen Instituts und Ordentliches Mitglied der Akademie der Wissenschaften wurde. Daneben praktizierte er 1859 am Leipziger Platz 13. 1893/94 war V. Rektor der Friedrich-Wilhelms-Universität (heute Humboldt-Universität). V. war seit 1859 Mitglied der Stadtverordnetenversammlung, 1861 Mitbegründer der Deutschen Fortschrittspartei und Mitglied des Preußischen Abgeordnetenhauses und von 1880 bis 1893 Mitglied des Reichstages. Er engagierte sich u. a. für die Stadtsanierung, die Verbesserung der Schulhygiene, eine Gefängnisreform und den Ausbau moderner Krankenanstalten. Von ihm kam 1872 auch der Vorschlag, das Moabiter Barackenlazarett zum Krankenhaus Moabit zu entwickeln und die Initiative für den Bau des später nach ihm benannten Rudolf-Virchow-Kinderkrankenhauses. Er wohnte von 1864 bis 1902 in der Schellingstraße 10. 1891 wurde er Berliner Ehrenbürger. Sein Ehrengrab befindet sich auf dem Kirchhof St. Matthäus (Schöneberg). Das Virchowdenkmal auf dem Karlplatz und Gedenktafeln am nach ihm benannten Rudolf-Virchow-Klinikum für den Arzt und Politiker sowie an der Marschallbrücke für den Barrikadenkämpfer erinneren an ihn. Die Virchowstraße (Friedrichshain/Prenzlauer Berg), die Virchow-Oberschule (Marzahn) und das Langenbeck-Virchow-Haus tragen seinen Namen.