Le , jour de son 26e anniversaire, il est ordonné prêtre à Cologne. À la fin de l'année 1983, il est nommé chapelain de Saint-Martin à Kaarst. Au cours des six années suivantes, il fait de la jeunesse sa spécialité. Il devient d'abord pasteur pour la jeunesse et membre de l'association « Bund der Deutschen Katholischen Jugend » de Neuss. À partir du , le P. Koch travaille comme aumônier universitaire à l'Université de Düsseldorf ainsi qu'à l'école secondaire de cette même ville.
En 1989, il est nommé à la tête du ministère de la pastorale des adultes de Cologne. En , il est nommé vicaire général adjoint.
Le , le pape Benoît XVI le nomme évêque titulaire de Ros Cré(de) et évêque auxiliaire de Cologne. Le , Heiner Koch est consacré évêque par le cardinal Joachim Meisner, en la cathédrale de Cologne ; ses co-consécrateurs sont alors Mgrs Manfred Melzer et Rainer Maria Woelki. Mgr Heiner Koch est vicaire épiscopal pour le district sud du diocèse de Cologne, il est ainsi responsable de plus de 600 000 catholiques.