学习期间，弗莱明获得了学校提供的各种名目的奖学金。1909年，他通过了测试，获得外科医生资格。一战爆发，赖特率他的研究小组奔赴法国前线，研究疫苗是否可以防止伤口感染。1921年11月，弗莱明患上了重感冒。两周后，当弗莱明在清洗前最后一次检查培养皿时，发现一个有趣现象。此后的鉴定表明，上述霉菌为点青霉菌，因此弗莱明将其分泌的抑菌物质称为青霉素。这种新的药物对控制伤口感染非常有效。
青霉素是一种高效、低毒、临床应用广泛的重要抗生素。它的研制成功大大增强了人类抵抗细菌性感染的能力，带动了抗生素家族的诞生。它的出现开创了用抗生素治疗疾病的新纪元。通过数十年的完善，青霉素针剂和口服青霉素已能分别治疗肺炎、脑膜炎、心内膜炎、白喉、炭疽等病。1928年2月13日，英国细菌学家亚历山大·弗莱明首先发现了世界上第一种抗生素——青霉素，弗莱明由于一次幸运的过失而发现了青霉素。
亚历山大·弗莱明1881年8月6日出生于苏格兰基马尔诺克附近的洛克菲尔德。在他7岁时，父亲去世。由大哥和母亲将他和几个兄弟养大，他在山野长大，这锻炼了他的观察能力，算是为日后的细菌培养积累了初步的基础。13岁左右，弗莱明去伦敦投奔他同父异母的哥哥汤姆。汤姆其时已从格拉斯哥大学毕业，去伦敦发展事业并成为了一个眼科学家。他先是在一所类似技校的学校学习，16岁毕业后就去了一家专营美国贸易的船务公司上班。
1901年，在弗莱明20岁时，他的一个终身未婚的舅舅去世，留下了一笔较为可观的遗产，弗莱明分到了250英镑。汤姆敦促他善加利用这笔财富，建议他学习医学。7月，弗莱明通过16门功课的考试，获得进入圣玛丽医院附属医学院的资格。而他选择这所学校的原因，则是工作期间，他曾和来自这个学院的水球队比赛过。学习期间，弗莱明获得了学校提供的各种名目的奖学金。1909年，他通过了测试，获得外科医生资格。但就此以后，他和外科就再也没有关系。
一战爆发，赖特率他的研究小组奔赴法国前线，研究疫苗是否可以防止伤口感染。这给了弗莱明一个极其难得的系统学习致病细菌的好机会。在那里他还验证了自己的想法，既含氧高的组织中，伴随着氧气的耗尽，将有利于厌氧微生物的生长。另外他和赖特证实用杀菌剂消毒创伤的伤口，事实上并未起到好的作用，细菌没有真正被杀死，反倒把人体吞噬细胞杀死了，伤口更加容易发生恶性感染。他们建议使用浓盐水冲洗伤口，这项建议到了二战时期才被广泛采纳。
1921年11月，弗莱明患上了重感冒。在他培养一种新的黄色球菌时，他索性取了一点鼻腔粘液，滴在固体培养基上。两周后，当弗莱明在清洗前最后一次检查培养皿时，发现一个有趣现象。培养基上遍布球菌的克隆群落，但粘液所在之处没有，而稍远的一些地方，似乎出现了一种新的克隆群落，外观呈半透明如玻璃般。弗莱明一度认为这种新克隆是来自他鼻腔粘液中的新球菌，还开玩笑的取名为A.F（他名字的缩写）球菌。
1921年11月21日，弗莱明的实验记录本上，写下了抗菌素这个标题，并素描了三个培养基的情况。第一个即为加入了他鼻腔粘液的培养基，第二个则是培养的一种白色球菌，第三个的标签上则写着“空气”。第一个培养基重复了上面的结果，而后两个培养基中都长满了细菌克隆。很明显，到这个时候，弗莱明已经开始做对比研究，并得出明确结论，鼻腔粘液中含有“抗菌素”。随后他们更发现，几乎所有体液和分泌物中都含有“抗菌素”，甚至指甲中，但通常汗水和尿液中没有。他们也发现，热和蛋白沉淀剂都可破坏其抗菌功能，于是他推断这种新发现的抗菌素一定是种酶。当他将结果向赖特汇报时，赖特建议将它称为溶菌酶，而最初的那种细菌如今被称为滕黄微球菌。
为了进一步研究溶菌酶，弗莱明曾到处讨要眼泪，以至于，一度同事们见了他都避让不及，而这件事还被画成卡通登在了报纸上。1922年1月，他们发现鸡蛋的蛋清中有活性很强的溶菌酶，这才解决了溶菌酶的来源问题。1922年稍晚些的时候，弗莱明发表了第一篇研究溶菌酶的论文。弗莱明和他的助手，对新发现的溶菌酶又做了持续7年的研究，但结果让人失望，这种酶的杀菌能力不强，且对多种病原菌都没有作用。
在1928年夏弗莱明外出度假时，把实验室里在培养皿中正生长着细菌这件事给忘了。3周后当他回实验室时，注意到一个与空气意外接触过的金黄色葡萄球菌培养皿中长出了一团青绿色霉菌。在用显微镜观察这只培养皿时弗莱明发现，霉菌周围的葡萄球菌菌落已被溶解。这意味着霉菌的某种分泌物能抑制葡萄球菌。此后的鉴定表明，上述霉菌为点青霉菌，因此弗莱明将其分泌的抑菌物质称为青霉素。
澳大利亚病理学家弗洛里（HowardWalter Florey）和生物化学家钱恩，通过一段时间的紧张实验，终于用冷冻干燥法提取了青霉素晶体。1940年，他们给8只小鼠注射了致死剂量的链球菌，然后给其中的4只用青霉素治疗。几个小时内，只有那4只用青霉素治疗过的小鼠还健康活着。但是青霉素会使个别人发生过敏反应，所以在应用前必须做皮试。在这些研究成果的推动下，美国制药企业于1942年开始对青霉素进行大批量生产。到了1943年，制药公司已经发现了批量生产青霉素的方法。当时英国和美国正在和纳粹德国交战。这种新的药物对控制伤口感染非常有效。到1944年，药物的供应已经足够治疗第二次世界大战期间所有参战的盟军士兵。
1945年，弗莱明、弗洛里和钱恩因“发现青霉素及其临床效用”而共同荣获了诺贝尔生理学或医学奖。
