Nach der Zeit als Apothekerpraktikant 1952-1954 in Giengen/Brenz studierte Ernst Mutschler Pharmazie in München und Tübingen. Danach wechselte er nach Mainz, um dort unter der Leitung von Professor Dr. Hans Rochelmeyer über Pilzinhaltsstoffe zu promovieren.
An die Promotion 1959 zum Dr. rer. nat schloss sich die Habilitationsarbeit in Pharmazeutischer Chemie an. 1964 erfolgte die Venia legendi für das Fach Pharmazie.
Noch während der Assistentenzeit begann Ernst Mutschler ein Medizinstudium, legte 1965 die Ärztliche Prüfung ab und wurde 1966 mit Professor Dr. Gustav Kuschinsky als Doktorvater zum Dr. med. promoviert. 1974 erhielt er die Approbation als Arzt.
Nach Ablehnung eines Rufs auf eine H3-Professur nach Erlangen wurde er 1968 zum Abteilungsvorsteher und Professor in Mainz ernannt. 1973 bekam er einen Ruf auf ein Ordinariat für Pharmazeutische Chemie an der Universität Amsterdam, den er aus familiären Gründen nicht annahm, und kurze Zeit danach einen Ruf auf den neugegründeten Lehrstuhl Pharmakologie für Naturwissenschaftler an der Goethe-Universität Frankfurt am Main, den er bis 1997 innehatte.
Schwerpunkte seiner Forschung wurden cholinerge Agonisten und Antagonisten, Muscarinrezeptor-Subtypen, Diuretika sowie Pharmakokinetik bei eingeschränkter Organfunktion und im Alter.
Diese Untersuchungen fanden ihren Niederschlag in über 600 wissenschaftlichen Publikationen, zahlreichen Forschungspreisen (u. a. Carl-Mannich- und Host-Madsen-Medaille, Lifetime achievement in the Pharmaceutical Sciences Award, Schmiedeberg-Plakette, Dr. Willmar-Schwabe-Preis, Homburg-Preis, Preis der Deutschen Therapiewoche, Boehringer Ingelheim International Research Award, Rottendorf Pharmakologie-Preis, Phoenix-Pharmazie-Wissenschaftspreis), zwei Ehrendoktorate der Universität Regensburg und der Humboldt-Universität Berlin sowie über 150 Promotionen.
Mehrmals war er Dekan des Fachbereichs Biochemie, Pharmazie und Lebensmittelchemie seiner Universität, ferner langjähriges Mitglied des Wissenschaftlichen Beirats der Bundesapothekerkammer, des Wehrmedizinischen Beirats des Bundesverteidigungsministeriums und des Bundesgesundheitsrats.
Seit 1984 ist er ordentliches Mitglied der Akademie der Wissenschaften und der Literatur Mainz, seit 1995 Mitglied der Academia Scientiarum et Artium Europaea Salzburg, seit 1996 Honorary Fellow des American College of Clinical Pharmacology und seit 2001 Ehenmitglied der Deutschen Pharmazeutischen Gesellschaft - deren Präsident er von 1988-1992 war. Ferner war er von 1991-1994 Gründungspräsident der European Federation of Pharmaceutical Sciences, von 1994-2002 Vorstandsmitglied und Schatzmeister der International Union of Pharmacology sowie von 1992-1998 Vorsitzender des Wissenschaftlichen Beirats der Deutschen Herzstiftung.
Besonders bekannt wurde Professor Mutschler auch als Lehrbuchautor. Generationen von Medizin- und Pharmaziestudenten sind "Mutschler Arzneimittelwirkungen" sowie Thews, Muschler, Vaupel "Anatomie, Physiologie, Pathophysiologie des Menschen" nicht nur ein Begriff, sondern auch wertvolle Einführungen in die Pharmakologie und die medizinischen Grundlagenfächer.
Konsequent verabschiedete sich Ernst Mutschler 1997 mit Erreichen der Altersgrenze aus dem Universitätsbetrieb, steht aber der Goethe-Universität Frankfurt als Mitglied der "Elder Statesman" mit seiner Erfahrung nach wie vor zur Seite.
1989 wurde Professor Mutschler zunächst mit dem Bundesverdienstkreuz am Bande, 2004 dann mit dem Bundesverdienstkreuz 1. Klasse ausgezeichnet.
Professor Mutschler ist Gründungsherausgeber der "Arzneimitteltherapie"(gemeinsam mit Professor Paul Schölmerich und Professor Gerhard Thews).