Кёльрейтер в 1748 году поступил в Тюбингенский университет, где изучал медицину и естественные науки. Во время обучения сблизился с Иоганном Георгом Гмелином, известным исследователем Сибири, профессором медицины и ботаники в Тюбингене. В 1753 году переехал в Страсбургский университет, а спустя год вернулся в Тюбинген, где 1755 году, защитил диссертацию (лат.)«De insectis coleopteris nec non de plantis quibusdam rarioribus».
По рекомендации своего учителя и друга Иоганна Гмелина был вызван в Петербург и в 1756 году определён адъюнктом ботаники в Академию наук. В 1756—1760 годах провёл первые опыты по искусственной гибридизации растений, результаты 136 опытов были опубликованы.
Оставил академию в 1761 году; умер в Карлсруэ.
Кроме диссертации, опубликовал несколько статей зоологического и ботанического содержания в «Новых комментариях» Академии (т. VII—XIX), в «Nova Acta» и «M?moires», которые указаны в Richter’s «Geschichte der Medicin in Russland» (т. III, стр. 469 и сл. (нем.)); «Vorl?ufige Nachricht von einigen das Geschlecht der Pflanzen betreffenden Versuchen» (Лейпциг, 1761—1766 (нем.)).
Кёльрейтер первый указал на роль насекомых при опылении цветков.
Именем Кёльрейтера Эрик Лаксман в 1772 году назвал род деревьев — Кёльрейтерия (Koelreuteria Laxm.)