In seguito, nel 1935, passò all'Università di Oxford dove ottenne la cattedra di patologia chimica alla Sir William Dunn School of Pathology. Fu per l'appunto in quegli anni che Chain, con l'obiettivo di mettere a punto agenti antinfettivi, scoprì alcune sostanze naturali con efficace funzione antibatterica. In collaborazione con Florey, cominciò pertanto l'indagine sistematica sulle proprietà di tali sostanze e in particolare sulla penicillina. Chain riuscì a produrre penicillina in forma pura, applicandola con successo in ambito medico. Nel 1945 ricevette il Premio Nobel per la Medicina e la Fisiologia insieme a Fleming e Florey per gli studi sulla penicillina, di cui rinunciò, per motivi etici, a brevettare il suo metodo di preparazione.