Ehrenberg được bổ nhiệm làm giáo sư y khoa tại Đại học Berlin vào năm 1827. Năm 1829 ông tháp tùng Humboldt trong chuyến đi đến biên giới giữa Nga và Trung Quốc. Sau khi quay trở về, ông bắt đầu tập trung nghiên cứu các vi sinh vật, vốn chưa được khảo cứu một cách có hệ thống vào thời bấy giờ.

Trong khoảng thời gian gần 30 năm Ehrenberg quan sát vô số mẫu nước, đất, bụi, trầm tích và đá để miêu tả hàng ngàn loài mới, tron đó có những loài trùng roi nổi tiếng như Euglena, ciliate như Paramecium aurelia và Paramecium caudatum, và nhiều hóa thạch khác, trong gần 400 ấn bản khoa học được phát hành. Ông đặc biệt chú tâm đến nhóm động vật nguyên sinh đơn bào được gọi là tảo cát, nhưng ông cũng nghiên cứu và đặt tên cho nhiều loài trùng tia (Radiolaria) và trùng lỗ (Foraminifera).

Những công trình trên đã đóng góp một phần quan trọng trong phượng pháp dùng đất có trùng lông để đánh bóng và nhiều mục đích kinh tế khác. Và quan trọng hơn nữa khi những nghiên cứu này đã mở rộng tầm hiểu biết của mọi người về các vi sinh vật có liên quan đến các thành hệ địa chất, đặc biệt là đá phấn, các tích tụ nước biển và nước ngọt. Cho đến trước khi Ehrenberg thực hiện nghiên cứu này, con người vẫn chưa biết rằng một phần khối lượng đáng kể của đá hợp thành từ các dạng thực vật hay động vật nhỏ bé. Ông cũng khám phá ra hiện tượng lân quang của đại dương là do các vi sinh vật gây ra.

Ông là thành viên của Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển từ năm 1836 và là thành viên ngoại quốc của Hiệp hội Hoàng gia tại London từ năm 1837. Năm 1839, ông được trao huy chương Wollaston, danh hiệu cao quý nhất của Hiệp hội Địa lý Luân Đôn. Trong quãng đời còn lại, ông tiếp tục nghiên cứu các vi sinh vật ở dưới biển sâu và nhiều thành hệ địa chất khác. Ông mất ở Berlin ngày 27 tháng 6 năm 1876.