Le 3 septembre 1928, le docteur Alexander Fleming alors âgé de 47 ans, revient de vacances et retrouve son laboratoire du Saint-Mary's Hospital à Londres. Il retrouve alors les boîtes de Petri où il faisait pousser des cultures de staphylocoques dans le but d'étudier l'effet antibactérien des lysozymes, une variété d'enzyme se trouvant dans les larmes et la salive. Il a la mauvaise surprise de voir ses boîtes envahies par des colonies cotonneuses de moisissures d'un blanc verdâtre. Elles ont été contaminées par les souches d'un champignon microscopique, Penicillium notatum, qu'utilise son voisin de paillasse, un jeune mycologue irlandais, Charles J. Latouche, qui travaille sur cette espèce de champignon, qui entraîne des allergies chez les patients asthmatiques.
Alors qu'il doit désinfecter ces boîtes contaminées, Fleming s'aperçoit qu'autour des colonies de moisissure, il existe une zone circulaire dans laquelle le staphylocoque n'a pas poussé. Il émet l'hypothèse qu'une substance sécrétée par le champignon en est responsable et lui donne le nom de pénicilline.
L'année suivante, en 1929, il publie dans le "British Journal of Experimental Pathology" le premier compte rendu de l'effet de cette substance, pensant que son action est du même type que celle du lysozyme.
" Au cours du travail avec différents staphylocoques un certain nombre de cultures furent mises de côté et examinées de temps en temps. Lors de l'examen, ces cultures étaient exposées à l'air et ensemencées par différents micro-organismes. On remarqua qu'autour d'une grande colonie de champignons polluant les colonies de staphylocoques étaient devenues transparentes et sans aucun doute en voie de dissolution. ".
" La pénicilline utilisée en doses massives n’est ni toxique ni irritante … elle peut constituer, par applications ou en injections, un antiseptique efficace contre les microbes ".
Craddock et Ridley, ses collaborateurs, tentent d'isoler et de purifier la Pénicilline mais en vain. Fleming s'intéresse peu à une application thérapeutique de sa découverte et utilise surtout les extraits de ce Penicillium pour fabriquer des milieux sélectifs. Il prouve que la pénicilline n'est pas nocive pour l'homme et suggère de l'utiliser comme antiseptique c’est-à-dire un désinfectant appliqué sur la peau, à l'extérieur du corps.
Quelques essais cliniques thérapeutiques sont tout de même effectués mais sans grand succès. La découverte de Flemimg intéresse peu de monde, il recherchera d'autres micro-organismes producteurs d'antibiotiques mais il ne publiera pas ses travaux.
Il faut attendre une dizaine d'années avant que la Penicilline ne revienne sur le devant de la scène. C'est en 1939, que Howard Walter Florey, pathologiste britannique, et Ernst Boris Chain, biochimiste et pathologiste d'origine allemande, réussirent à isoler l'agent actif de la pénicilline.
En mai 1943, Florey et son équipe reçoivent assez de pénicilline pour des essais sur des blessés britanniques. Ils se rendent à Alger où se trouvent les troupes alliées afin de procéder à des injections.
En 1945, ces trois hommes (Fleming, Florey et Chain) se partagent le prix Nobel de médecine pour leurs travaux sur la pénicilline et son application thérapeutique.