青霉素是第一种抗菌素类药物，它的发现开辟了全世界现代医疗革命的新阶段，这首先要归功于英国细菌学家亚历山大·弗莱明。
早在弗莱明就读于伦敦圣玛丽医院的医学院时，就对法国科学家路易·巴斯德的发现进行过研究。巴斯德认为，某些疾病和传染病是由微小的生命体即微生物引起的，它们侵入人体，吞噬人体细胞。他还发现某些微生物攫食另一些微生物，就如同某些动物攫食另一些动物一样，也就是说微生物之间存在拮抗作用。巴斯德对微生物——细菌、霉菌和其它小的有机体——的研究，为免疫学和细菌学这两门相互关联的科学奠定了基础，科学家们在这两个领域内也都取得了重要进展。如他们证实了一些传染病，如炭疽病、白喉等都是由各种细菌引起的，从免疫学的角度出发，他们研制出预防天花、霍乱、白喉以及其它疾病的疫苗。但是当时还没有人找到一旦人们患了这些疾病和其它致命的传染病后所能采用的有效的治疗方法。根据拮抗作用的理论，若能将对人体无害而对病原菌有拮抗作用的细菌引入体内，便可以防治细菌感染，弗莱明的研究便是沿着这样一条思路展开的。
弗莱明毕业后参加了圣玛丽医院新成立的由A·赖特博士领导的研究小组，积极探索关于免疫疗法的新设想。就在这时，第一次世界大战爆发了，赖特和他的助手们受命到法国建立一个战地研究实验室，研究并治疗协约国伤员所患传染病。当从前线撤下的伤员安全抵达实验室所在地时，他们的伤口往往已经感染，而一旦感染到血液，人们便无能为力。此情此景深深地印刻在弗莱明脑海中，寻找一种能够杀死病菌的药物的愿望变得越来越强烈。
1922年，弗莱明从前线回到圣玛丽医院几年之后，他的工作有了突破。一天，正在进行细菌培养的弗莱明，在培养细菌的琼脂培养基上发现，细菌全都被溶解的部分正是他因感冒不留神滴上鼻涕的地方，因此他又在另一个充满细菌的培养基上滴上鼻涕进行试验，结果这里的细菌也渐渐溶解了，用眼泪、唾液进行其它的试验，也产生了同样的结果。这一发现使弗莱明备受鼓舞。通过进一步研究，他确认这种物质就是存在于人体组织中和大量分泌物中的溶菌酶，因为它像酶，能够消灭或溶解细菌，但它在抵抗更危险的病菌方面并不那么有效。
对于弗莱明来说，这一研究成果的巨大价值是它证明了抗菌物质是怎样起作用的，这促使他去探索作用更大的物质。正是他对溶菌酶的研究帮助他认识到6年之后所发现的青霉素的极端重要性。
1928年，对一次偶然事件的敏锐观察使他发现了青霉素。秋季的一天，弗莱明意外地看到在葡萄球菌的培养皿中长出了一种青色的霉菌，竟将其周围的葡萄菌块溶解，以致于凡是培养物与青色霉菌接触的地方都没有平时那种大片黄色细菌，而是干干净净的一圈。
弗莱明立即着手鉴定并培养这些神秘的霉菌。置于显微镜下的青色斑点显现出它们具有青霉素霉菌——青霉葡萄球菌氧化酶的特征。弗莱明将青霉菌移到烧杯中的肉汤里——肉汤混浊并有许多细菌。8天后，表面长着青霉的汤变成为金黄色液体。弗莱明断定，这种霉菌向汤里释放出呈小金珠状的杀菌物质，霉菌不断进攻，把球菌团团围住，很快，球菌便“全军覆没”了。试验结果表明，这些黄色液体对人体细胞无害，对传染病菌却有致命的效果，它除了能杀死葡萄球菌外，还有阻止肺炎菌、链球菌、白喉、炭疽病菌等多种病原菌发育的能力。即使将其稀释数百倍甚至1000倍，也仍有良好的杀菌能力。弗莱明推论，这种杀菌剂是青霉菌在生长过程中的代谢产物，遂称之为青霉素。青霉素的问世意味着弗莱明在对治疗致命传染病的漫长探索中取得了至关重要的成功。
1929年，弗莱明发表了他的论文，但他的研究成果并未引起很大的反响。弗莱明也逐渐感到自己的弱点正在大大妨碍这一成果的进一步发展：他不懂生化技术，无法将液体培养基中的青霉素提取出来。而只要纯品青霉素不能从青霉素的培养液中提取出来，它就无法临床应用，青霉素的命运将不会比溶菌酶好多少。1931年，曾有3名英国生化学家进行青霉素提纯的尝试，但都失败了，其它国家也有类似的的报道。这是由于导致提纯成功的关键技术——色层分析法在那时还没有出现的缘故。而20世纪30年代磺胺类药物的出现也在一定程度上影响了青霉素的应用。由于磺胺类药物对由各种细菌引起的疾病如化脓性咽喉炎、脊膜炎、淋病等极为有效，给人们解决传染病的治疗问题带来了巨大的信心，所以对杀死病原菌的研究变成了以磺胺药物为中心的研究，人们似乎忘记了青霉素这样的抗生物质。
数年过去了，人们在临床实践中逐渐发现磺胺类药物的效力远非原来所期望的那么大，它仅限于少数几种疾病，在对付某些创伤感染和传染病方面并不够理想，而且对许多病人还有严重的副作用，这便促使人们去寻找有效而无害的杀菌剂。青霉素的研究被提上日程。弗洛里和钱恩为此作出了巨大贡献。
1940年，他们把第一项研究成果发表在著名的《柳叶刀》杂志上，他们通过动物实验再次充分肯定了青霉素对多种病原菌的巨大杀伤效力。研究人员把50只注射了致命剂量链球菌的老鼠分为两组，其中一组注射青霉素，结果注射一组成活24只，不注射的25只全部死亡。
恰在此时，能够把成分复杂的化学物质彼此分开的一项新技术——分配色层分析法正好成熟了，发明者也是英国科学家，他们因此而获得1952年的诺贝尔化学奖。分配色层分析法在青霉素的分离和提纯过程中起到了关键性的作用，否则，青霉素的临床应用将无从谈起。
1941年，弗洛里和钱恩为首的研究小组开始在病人身上试用青霉素，其中一位因患链球菌感染和急性心血中毒的病人情况非常危险，磺胺类药物已不能阻止感染的发展，弗洛里和钱恩用储存的全部青霉素每隔3小时注射一次，病人情况很快稳定下来了。两天后，病人体温下降，脓肿开始消退，但因青霉素消耗殆尽，注射刚一停止，感染就重新恢复，患者终因病情恶化而死亡。可这毕竟是一个鼓舞人心的开端。在后来多次反复的试验中，治愈的病例越来越多，弗洛里和钱恩在青霉素的特性、用法和制备方面也不断取得经验。
青霉素的威力日渐显现，但其供应量实在太小，难以满足病人的需要，而此时炮火连天的第二次世界大战的战场上又有无数伤病员迫切等待治疗，战争的残酷使青霉素原有的供求矛盾变得更加尖锐，这就成为青霉素大规模生产的一个契机。由于英国已将所有财力集中用于战争，弗洛里只好到当时尚未参战的美国去寻求支援，美国的制药工业立刻着手研究，美国农业部也鼎力相助，1941年12月美国参战时，青霉素被宣布为优先制造的军需品。
青霉素的应用创造了医学史上的辉煌奇迹。作为第一种实际可用的抗生素，它治愈了二战中受伤的大量官兵，挽救了成千上万人的生命。曾经是不治之症的猩红热、白喉、梅毒等疾病在使用青霉素后，几乎是药到病除。肺炎的死亡率也大大降低。越来越多的人开始对青霉素刮目相看：从未有过一种药物能如此有效地治疗这么多的疾病且副作用如此之小，人类同疾病斗争的历史从此翻开了崭新的一页。1945年，在庆祝反法西斯战争伟大胜利的欢乐气氛中，弗莱明、弗洛里和钱恩一同荣获诺贝尔医学奖，人类将永远铭记他们的不朽业绩。