Sohn eines Lehrers. Nach Heeresdienst im Ersten Weltkrieg studierte er Medizin in Kiel und Greifswald. 1927 Privatdozent für Pathologie in Münster, 1928 wurde er Leiter der chemotherapeutischen Forschung in der I.G. Farbenindustrie Bayer in Wuppertal. Hier entdeckte er 1935 die antibakterielle Heilkraft des Prontosils, der ersten Sulfonamidverbindung. Diese Entdeckung eröffnete den Weg zur wirksamen Therapie vieler Infektionskrankheiten, die früher tödliche Gefahren bedeuteten wie Lungenentzündung, Gehirnhautentzündung, Kindbettfieber, Kriegsinfektionen. 

Die Konsequenz aus der Entdeckung der Sulfonamide war die Entdeckung der Heilwirkung des Penicillins, wie Alexander Fleming, der Entdecker des Penicillins bezeugte. Zudem leistete Domagk wichtige Beiträge zur Entwicklung von Heilmitteln gegen die Tuberkulose, ehemals eine Volksseuche.

1939 erhielt Domagk den Nobelpreis für Medizin, durfte ihn aber wegen Hitlers Verbot nicht annehmen.