Proprio all’ospedale St. Mary, Fleming svolse due importanti ricerche. Studiò, infatti, gli effetti battericidi del lisozima (1922) e il 3 settembre 1928 scoprì la penicillina, che da allora avrebbe giocato un ruolo fondamentale nella lotta contro le infezioni batteriche. Pare che al ritorno da una vacanza, Fleming notò che in una delle capsule petri lasciate in laboratorio la proliferazione di una muffa aveva impedito lo sviluppo della coltura batterica. La penicillina doveva essersi formata nel terreno di coltura prima che i batteri fossero impiantati. Fleming, pur avvertendo la portata di una simile scoperta, si rese conto che utilizzare la penicillina come farmaco nella sua forma corrente non avrebbe dato risultati: infatti, se iniettata nel sangue animale, essa scompariva in pochi minuti. Inoltre, ancora non si riusciva ad isolare il fungo da impurità e da pirogeni che avrebbero causato malattie gravi se iniettati nell’organismo. 