Оба открытия произошли в 1920-е и в большой степени случайно. Однажды Флеминг чихнул в чашку Петри, в которой находились бактерии, и через несколько дней обнаружил, что в местах, куда упали капли слюны, бактерии были уничтожены. Первая статья о лизоцимах вышла в 1922.

Беспорядок в лаборатории Флеминга ещё раз сослужил ему службу. В 1928 году он обнаружил, что на агаре в одной из чашек Петри с бактериями Staphylococcus aureus выросла колония плесневых грибов. Колонии бактерий вокруг плесневых грибов стали прозрачными из-за разрушения клеток. Флемингу удалось выделить активное вещество, разрушающее бактериальные клетки — пенициллин, работа была опубликована в 1929.

Флеминг недооценил своё открытие, считая, что получить лекарство будет очень трудно. Его работу продолжили Говард Флори и Эрнст Борис Чейн, разработавшие методы очистки пенициллина. Массовое производство пенициллина было налажено во время Второй мировой войны.

В 1945 Флеминг, Флори и Чейн были удостоены Нобелевской премии в области физиологии и медицины.

Умер в 1955 году в больнице от инфаркта миокарда.