Az egyetemet elvégezve az 1864-65. tanévben az eperjesi kir. kath. gimnázium tanára lett, hol szoros barátság fűzte a kiváló botanikushoz, Hazslinszky-hez Az 1866. év június havában hullott az ungmegyei Knyahinyán hazánk legnagyobb meteoritje; a meteorkőnek az égbolton való átvonulását Koch Antal Eperjesen személyesen figyelhette meg.

Az 1867. évben visszatért Budapestre és Kriesch tanárnak a tanársegédje lett, illetőleg egyidejűleg helyettestanári állást is vállalt az V. kerületi gimnáziumban; de rövid idő mulva Szabó József oldalán az egyetem ásvány-föltani tanszékénél találjuk őt tanársegédi minőségben. Az 1869-ben a M. Kir. Földtani Intézettől megbízást kapott a Szentendre-Visegrádi hegység földtani átkutatására 1869-ben pedig az Intézet szolgálatába át is lépett és ez év nyarán a Vértesen és Bakonyban végzett földtani munkálatokat.

Ebben az időben jelennek meg „A górcső a kőzettanban” és „Gorcsövi kőzetvizsgálatok” című munkái, melyek a magyar kőzetvizsgálatok terén új irányt jelentettek. Az 1895. évben a budapesti egyetem föld- és őslénytani tanszékét foglalta el. A tanszék újonnan való megszervezése ugyancsak sok idejét rabolta el. Érdemei elismeréséül a Magyar Tudományos Akadémia 1894-ben rendes tagjai sorába iktatta; a Geological Society of London pedig kültagnak választotta.

Nyomtatásban megjelent dolgozatainak száma körülbelül 300, melyek az ásványtan, kőzettan, földtan és őslénytan legkülönbözőbb ágaira terjeszkednek ki. Erdély bérceit alig ismerte geológus olyan jól, mint Koch Antal. Ő fedezte fel a Piskivel szemközt fekvő Aranyi hegyen az ásványvilágnak egyik legérdekesebb tagját, a különös összetételű pseudobrookitot Az ő nevéhez fűződik az erdélyi cölesztin felfedezése; ő ismertette a dévai ércereket, a mócsi meteoritet, az erdélyi rutil- és vivianit-előfordulásokat, a verespataki adulárt.

Sokat foglalkozott az erdélyi sótelepek tanulmányozásával. Különösen sok időt szentelt a magyarországi és erdélyi kőzetek mikroszkópi és földtani tanulmányozásának. Hazánk legkülönfélébb hegységeinek kőzettani és hegyszerkezeti viszonyait igyekezett kifürkészni.

A gyergyóditrói nefelin-szienit-tömzs, a Hegyes-Drócsa, a Pietrosz, a Hargita, Málnás környéke, a Czibles, a Rodnai havasok, az Eperjesi hegység, a Szentendre-Visegrádi hegység, a Vlegyásza, a Gyalui havasok, a Bakony, a Vértes, a Brassói hegység, Nagybánya környéke, az ajnácskői Várhegy, Rudóbánya érctelepei, Herkulesfürdő és Mehádia környéke, - hazánknak mindezek a szép vidékei mind tanúbizonyságot tehetnek és tesznek Koch Antal fáradhatatlan munkásságáról.

A M. Kir. Föltani Intézet megbízásából, több 1:75.000 méretű földtanilag színezett térkép elkészítésében vett részt; így földtanilag ő térképezte Torockó, Torda, Bánffyhunyad, Kolozsvár és Alparét környékét. Összeállította Erdély ásványainak kritikai áttekintését; e munkája még ma is forrásmű gyanánt szolgál. Állandó figyelemmel kísérte az erdélyi földrengéseket.

Életének egyik legnagyobb alkotása „A z erdélyi medence harmadkori képletei” című műve, melyben több mint 25 esztendőt felölelő fáradalmas kutatásainak eredményeit foglalja egybe. E monográfiára a magyar geológusok mindenkor büszkén tekinthetnek vissza, mert e munka még hosszú időn át minden további kutatásnak alapja lesz.

Az őslénytannal élete vége felé foglalkozott behatóbban. Ilyen természetű munkái a zilahi hyppuritekről, az erdélyi echinusokról, a beocsini kövült halakról, Erdély ősemlőseiről és az erdélyi ősemberről, a híres tarnóci és felsőesztergályi cápafogakról, továbbá a török-bálinti felső-oligocénkori homok kövületeiről szólnak.