Completò il dottorato presso l'Università di Monaco per il lavoro sulle applicazioni della teoria di Henri Poincaré sulle configurazioni stabili dei corpi rotanti e sulla deformazione mareale delle lune. Ebbe la possibilità di lavorare con alcuni rinomati fisici Felix Christian Klein, David Hilbert e Hermann Minkowski mentre era professore presso un rinomato istituto a Gottinga, dal 1901 al 1909. Si trasferì poi a Potsdam, dove lavorò come direttore dell'Osservatorio astronomico e contribuì anche al campo della spettroscopia.
Si arruolò anche volontario per il servizio militare allo scoppio della prima guerra mondiale nel 1914, nonostante avesse 40 anni. Fu messo a capo della stazione meteorologica in Belgio, mentre in Francia prestò servizio in un'unità di artiglieria e aiutò a calcolare le traiettorie dei missili balistici.
"Spesso sono stato infedele al cielo. Il mio interesse non si è mai limitato alle cose situate nello spazio, oltre la luna, ma ha piuttosto seguito quei fili intrecciati tra loro e le zone più oscure dell'anima umana, poiché è lì che deve brillare la nuova luce della scienza". — Karl Schwarzschild
Mise le mani su una copia del numero dei Proceedings of the Royal Prussian Academy of Sciences mentre era sul fronte orientale. Fu quindi introdotto alla teoria generale della relatività di Einstein.
Mentre prestava servizio in Russia scrisse articoli sulla teoria di Einstein e sulla teoria quantistica di Planck. Quest'ultima riguardava la spiegazione dell'effetto Stark (spostamento delle linee spettrali dell'atomo di idrogeno da parte di un campo elettrico esterno) e la sua dimostrazione dai postulati della teoria quantistica.
La prima soluzione esatta delle equazioni di campo di Einstein.
Albert Einstein ricevette una lettera il 22 dicembre 1915 dalle trincee della prima guerra mondiale. La busta spiegazzata che conteneva la lettera era completamente ricoperta di fango e il nome del mittente era coperto da un'enorme macchia di sangue. La aprì e ciò che vide fu il nome di un vero prodigio, Karl Schwarzschild.
"Come vedi, la guerra è benevola nei miei confronti, consentendomi, nonostante i feroci spari a una distanza decisamente terrestre, di fare questa passeggiata nella tua terra di idee".
Era completamente scosso dalla lettera che aveva appena ricevuto. Conteneva la prima soluzione esatta alle equazioni di campo della relatività generale che poteva descrivere perfettamente la geometria o la distorsione dello spazio-tempo che circonda un oggetto massiccio.
Einstein era scioccato perché aveva pubblicato la sua teoria solo un mese prima e in così poco tempo Schwarzschild era riuscito a trovare una soluzione così precisa a queste equazioni differenziali parziali complesse e altamente non lineari. Mentre lui stesso, l'ideatore della teoria, era in grado solo di trovare le tecniche matematiche per identificare le soluzioni approssimative. Non era meno di un miracolo pensare a ciò che Schwarzschild aveva fatto mentre si trovava in un campo di battaglia circondato da esplosioni e gas velenosi.
Piccole modifiche ai suoi risultati ci hanno fornito una soluzione molto popolare che ora porta il suo nome: la metrica di Schwarzschild.
Oggi, fisici e matematici spesso impiegano l'aiuto di potenti computer e tecniche numeriche per risolvere queste equazioni notoriamente difficili.
Infine, Einstein era felice perché sapeva che questo risultato era così potente che avrebbe suscitato l'interesse della comunità scientifica verso la teoria generale della relatività, che fino a quel momento aveva raccolto poco entusiasmo.
Rispose alla lettera e promise di presentare questo lavoro a un incontro dell'Accademia prussiana: “Ho letto il tuo articolo con il massimo interesse. Non mi aspettavo che si potesse formulare la soluzione esatta del problema in modo così semplice. Mi è piaciuto molto il tuo trattamento matematico dell'argomento.”
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