Heiner Koch wurde am 13. Juni 1954 in Düsseldorf als Sohn eines Justizamtsrates geboren. Nach dem Studium der Theologie, Philosophie und Erziehungswissenschaften in Bonn und einer Promotion in Theologie empfing er am 13. Juni 1980 in Köln die Priesterweihe.
Danach arbeitete er unter anderem als Hochschulpfarrer an der Universität Düsseldorf, bevor er ins Erzbischöfliche Generalvikariat Köln wechselte. Dort war er erst in der Erwachsenenseelsorge tätig und dann Leiter der Hauptabteilung Seelsorge.
2002 ernannte der damalige Kölner Erzbischof, Kardinal Joachim Meisner, Koch zum Generalsekretär des Weltjugendtags 2005. Nach der Bischofsweihe durch Meisner ein Jahr später war er Weihbischof im Erzbistum Köln. Koch war zuständig für den Pastoralbezirk Süd des Erzbistums Köln, Bischofsvikar für die Internationale Katholische Seelsorge im Erzbistum Köln, und seit April 2012 zudem Vorsitzender des Diözesan-Caritasverbandes für das Erzbistum Köln.
Von Februar 2010 bis Herbst 2016 war Koch als Beauftragter der Deutschen Bischofskonferenz für die Katholische Deutsche Auslandsseelsorge zuständig.
Im März 2013 ernannte Papst Benedikt XVI. Koch zum Bischof des Bistums Dresden-Meißen. Papst Franziskus berief ihn schließlich am 8. Juni 2015 zum Erzbischof von Berlin. Die Amtseinführung war am 19. September 2015.
Sein Wahlspruch lautet: GAUDETE SEMPER DOMINUS PROPE – Freut euch allezeit, der Herr ist nahe (Phil 4,4).
Als zehnter Bischof des Erzbistums Berlin hat er Verbindungen zu dreien seiner Vorgänger: Mit Kardinal Woelki zusammen war er Weihbischof im Erzbistum Köln unter Kardinal Meisner. Mit Kardinal Sterzinsky arbeitete er schon als Weihbischof in der Familienkommission der Deutschen Bischofskonferenz, ihm folgte er als Vorsitzender dieser Kommission nach. Darüber hinaus ist er Vorsitzender der Unterkommission für Mittel- und Osteuropa (insbesondere Renovabis) und Mitglied der Kommission Weltkirche.