À l'âge de 26 ans, elle rejoint le NSDAP. Elle y rencontre son futur mari, Karl Koch, avec qui elle est jumelée par Heinrich Himmler lui-même. Ils se marient en 1936 et Karl Koch devient commandant d'un camp de concentration. Le camp étant entouré d'une forêt de hêtres, le nouvel administrateur propose à Himmler d'appeler le camp Buchenwald (forêt de hêtres).

Pendant ce temps, M. et Mme Koch s'installent dans une villa spécialement construite à proximité du camp. C'est dans ce cadre qu'Ilse Koch donne naissance à son premier enfant. Par la suite, elle commença à s'intéresser de plus en plus aux affaires du camp. Les épouses d'autres SS se souviennent qu'elle aimait regarder les prisonniers se tenir nus lors des appels de punition, qui pouvaient durer des heures. Après la guerre, des témoins ont déclaré qu'elle avait ordonné l'appel des prisonniers tatoués. Elle leur ordonnait de se déshabiller à partir de la taille. Elle regardait attentivement les tatouages, et ceux qui avaient les dessins les plus intéressants étaient ensuite tués sur son ordre.

Toujours sur son ordre, les prisonniers étaient battus et tourmentés plus longtemps et plus durement qu'à l'accoutumée. Son mari succombait également à ses persuasions et lui demandait, par exemple, de jeter les prisonniers du haut de la falaise de la carrière du camp. Elle aimait aussi se promener les seins nus, et si un prisonnier la regardait, il était puni d'une flagellation dans le meilleur des cas.

Elle aimait monter à cheval et, pour satisfaire ce besoin, le commandant ordonna la construction d'un manège intérieur, au milieu duquel des miroirs furent construits pour qu'Ilse puisse s'y voir. Au cours de cette construction, 30 prisonnières sont mortes d'épuisement. Les promenades à cheval dans la campagne n'étaient pas rares non plus, et il est arrivé plus d'une fois qu'Ilse piétine des prisonniers au cours de ces promenades. Comme elle aimait les animaux, elle fit construire un zoo juste à l'extérieur du camp. On y trouve des ours, des loups et même des singes.

Le mariage d'Ilse et de Karl Koch n'a pas été heureux : au camp, la femme du commandant a eu de nombreuses aventures. En outre, Ilse Koch a signalé à la police que son mari menait des activités illégales, tout en écrivant au supérieur immédiat de son mari pour l'assurer de son innocence. Karl Koch a été transféré et est devenu commandant de Majdanek, un camp de la mort situé dans l'est de la Pologne, tandis qu'Ilse Koch est restée à Buchenwald. Finalement, tous deux sont jugés pour corruption, détournement de fonds et fraude. Il fut condamné à mort, tandis qu'Ilse Koch fut acquittée par le tribunal. Après le procès, Ilse est allée vivre près de Stuttgart au printemps 1945.

Entre-temps, les Américains ont libéré le camp en avril. Les premiers témoignages de survivants entraînent la recherche d'Ilse, qui est bientôt arrêtée.

Elle est emprisonnée à Dachau, une prison temporaire, où elle attend son procès. Entre-temps, elle tombe enceinte, mais refuse de révéler qui est le père de l'enfant. Probablement à cause de sa grossesse, Ilse Koch voulait éviter d'être punie par le tribunal.

Le procès a été très médiatisé. Ilse Koch a été condamnée à la prison à vie le 14 août 1947. La guerre froide et le réchauffement des relations entre les États-Unis et l'Allemagne de l'Ouest ont conduit à une révision de la peine, qui a été largement critiquée. En 1948, elle a de nouveau été jugée, cette fois en Allemagne, qui l'a également condamnée à la prison à vie.

En 1967, elle se suicide en prison.