W wieku 26 lat wstąpiła do NSDAP. W partii poznała swojego przyszłego męża, Karla Kocha, z którym zeswatał ją sam Heinrich Himmler. W 1936 roku wzięli ślub, a Karl Koch został komendantem obozu koncentracyjnego. Obóz ten znajdował się w otoczeniu bukowego lasu, dlatego nowy zarządca zaproponował Himmlerowi, aby nadać obozowi nazwę Buchenwald (Las Bukowy).
Tymczasem państwo Koch zamieszkali w specjalnie wybudowanej willi przy obozie. W takiej scenerii Ilse Koch urodziła pierwsze dziecko. Po tym czasie zaczęła bardziej interesować się sprawami obozu.
Żony innych esesmanów wspominały, że z lubością przyglądała się więźniom stojącym nago na karnych, wielogodzinnych apelach. Po wojnie świadkowie zeznawali, że kazała zwoływać apele dla wytatuowanych więźniów. Nakazała im rozebrać się od pasa w górę. Bacznie przyglądała się tatuażom, a ci z ciekawszymi rysunkami byli później zabijani na jej polecenie.
Również na jej prośby więźniów bito i dręczono dłużej, i mocniej niż zazwyczaj to czyniono. Jej namowom miał ulegać również mąż, którego prosiła np. o zrzucanie więźniów z klifu obozowego kamieniołomu. Lubiła również przechadzać się z obnażonymi piersiami, a jeżeli któryś z więźniów popatrzył na nią, w najlepszych wypadku karany był chłostą.
Lubiła jeździć konno i aby zaspokoić tę potrzebę, komendant nakazał wybudować dla niej krytą ujeżdżalnię, w środku której wybudowano lustra, aby Ilse mogła się w nich przeglądać. Podczas tej budowy z wycieńczenia zginęło 30 więźniów. Przejażdżki konne po okolicy również nie były rzadkością, nieraz podczas nich tratowała więźniów. Lubiła zwierzęta, dlatego kazała sobie wybudować zoo tuż pod obozem. Były w nim niedźwiedzie, wilki, a nawet małpy.
Małżeństwo Ilsy i Karla Kochów nie było szczęśliwe – w obozie żona komendanta wdała się w liczne romanse. Ponadto Ilse Koch zgłosiła na policję zawiadomienie o prowadzeniu przez jej męża nielegalnych interesów, choć jednocześnie do bezpośredniego przełożonego męża pisała z zapewnieniem o jego niewinności. Karla Kocha przeniesiono, został komendantem Majdanka, obozu śmierci we wschodniej Polsce, a Ilse Koch pozostała w Buchenwaldzie. W końcu oboje zostali postawieni przed sądem za korupcję, malwersacje i defraudację. On został skazany na śmierć, natomiast Ilse Koch sąd uniewinnił.
Po procesie, wiosną 1945 roku, Ilse zamieszkała koło Stuttgartu. Tymczasem w kwietniu Amerykanie wyzwolili obóz. Pierwsze zeznania ocalałych sprawiły, że wszczęto poszukiwania Ilse, wkrótce potem została aresztowana.
Została osadzona w Dachau, tymczasowym więzieniu, gdzie oczekiwała na proces. W międzyczasie zaszła w ciążę, jednak nie chciała zdradzić kto jest ojcem dziecka. Prawdopodobnie poprzez ciążę, Ilse Koch chciała uniknąć kary przed sądem. Proces był bardzo głośny medialnie. Ilse Koch została skazana na dożywocie 14 VIII 1947 roku. Zimna wojna i ocieplenie stosunków między USA a RFN sprawiły, że doszło do rewizji wyroku, który został szeroko skrytykowany. W 1948 r. znów stanęła przed sądem, tym razem niemieckim, który również skazał Koch na dożywocie.
W 1967 r. popełniła w więzieniu samobójstwo.
