Op 26-jarige leeftijd sloot ze zich aan bij de NSDAP. In de partij ontmoette ze haar toekomstige man, Karl Koch, met wie ze werd gekoppeld door Heinrich Himmler zelf. Ze trouwden in 1936 en Karl Koch werd commandant van een concentratiekamp. Het kamp werd omringd door een beukenbos, dus stelde de nieuwe commandant aan Himmler voor om het kamp Buchenwald (Beukenbos) te noemen.

Ondertussen namen de heer en mevrouw Koch hun intrek in een speciaal gebouwde villa naast het kamp. In deze omgeving beviel Ilse Koch van haar eerste kind. Daarna begon ze zich meer te interesseren voor de gang van zaken in het kamp. Vrouwen van andere SS-ers herinnerden zich dat ze ervan genoot om gevangenen naakt te zien staan bij het appèl voor straf, dat uren kon duren. Na de oorlog getuigden getuigen dat ze een appèl had bevolen voor getatoeëerde gevangenen. Ze beval hen om zich vanaf hun middel uit te kleden. Ze bekeek de tatoeages nauwkeurig en degenen met de interessantste tekeningen werden later op haar bevel gedood.

Ook op haar aandringen werden gevangenen langer en harder geslagen en gemarteld dan normaal. Haar overredingen werden ook opgevolgd door haar man, die ze bijvoorbeeld vroeg om gevangenen van de klif van de kampgroeve te gooien. Ze hield er ook van om met ontblote borsten rond te lopen en als een gevangene naar haar keek, werd hij bestraft met een pak slaag.

Ze hield van paardrijden en om aan deze behoefte te voldoen, liet de commandant een overdekte rijhal voor haar bouwen, in het midden waarvan spiegels werden gebouwd zodat Ilse zichzelf erin kon bekijken. Tijdens deze bouw stierven 30 gevangenen van uitputting. Ritten te paard door het platteland waren ook niet ongewoon en meer dan eens vertrapte ze gevangenen tijdens deze ritten. Ze was dol op dieren, dus liet ze net buiten het kamp een dierentuin bouwen. Er zaten beren, wolven en zelfs apen in.

Het huwelijk van Ilse en Karl Koch was niet gelukkig - in het kamp kreeg de vrouw van de commandant talloze romances. Bovendien meldde Ilse Koch bij de politie dat haar man illegale zaken deed, hoewel ze tegelijkertijd een brief schreef aan de directe chef van haar man met de verzekering dat hij onschuldig was. Karl Koch werd overgeplaatst en werd commandant van Majdanek, een vernietigingskamp in Oost-Polen, terwijl Ilse Koch in Buchenwald bleef. Uiteindelijk werden beiden berecht voor corruptie, verduistering en fraude. Hij werd ter dood veroordeeld, terwijl Ilse Koch werd vrijgesproken door de rechtbank. Na het proces ging Ilse in de lente van 1945 in de buurt van Stuttgart wonen.

Ondertussen bevrijdden de Amerikanen het kamp in april. De eerste getuigenissen van overlevenden leidden tot een zoektocht naar Ilse en ze werd al snel gearresteerd.

Ze werd opgesloten in Dachau, een tijdelijke gevangenis, waar ze op haar proces wachtte. Ondertussen werd ze zwanger, maar ze weigerde te onthullen wie de vader van het kind was. Waarschijnlijk wilde Ilse Koch door haar zwangerschap haar straf in de rechtbank ontlopen.

Het proces kreeg veel aandacht in de media. Ilse Koch werd op 14 augustus 1947 tot levenslang veroordeeld. De Koude Oorlog en de opwarming van de betrekkingen tussen de VS en West-Duitsland leidden tot een herziening van het vonnis, die alom werd bekritiseerd. In 1948 stond ze opnieuw terecht, dit keer in Duitsland, waar Koch ook tot levenslang werd veroordeeld.

In 1967 pleegde ze zelfmoord in de gevangenis.