葡萄球菌一直是人類許多疾病的禍首。這種病菌是一種圓形小點樣的細菌，它們常常聚集成串，就像一串葡萄一般，因此人們都把它叫做葡萄球菌。1928年，弗萊明開始了葡萄球菌變異的研究。他每天都觀察著它們在培養過程中的變化。他發現不同的培養條件下繁殖起來的菌落，可以產生不同的形態變化。均勻光澤的細菌菌落，在養料不充分的情況下會變得灰暗。弗萊明通過繁雜而細致的觀察，來了解影響細菌變異的各種條件。
弗萊明每天在幾十個培養皿裏配製各種養料，調節不同的溫度，接種上葡萄球。然後，取出一點細菌菌落塗在玻璃片上，染上顏色放在顯微鏡下觀察它們的形態。當他打開培養皿蓋，取出培養的細菌時，在空氣中漂浮的一些其他微生物，或者是一種細菌，或者是一種黴菌總會落入到培養皿中，這些家夥在培養皿裏也會生長繁殖，從而妨礙了正常實驗的進行。這就是細菌研究上常說的染菌。染菌的情況，幾乎在每一個細菌實驗室裏都經常發生，因為空氣裏的微生物實在太多。如果染菌，隻得重新再做培養，這無疑增加了工作的困難。細菌學家最討厭這種不速之客。
初夏的一個早晨，弗萊明照例重複著他的工作。突然，弗萊明的目光停留在一隻被汙染了的培養皿上。一種來自空氣中的綠色黴菌落到培養皿裏，並且繁殖成了一個菌落。
弗萊明拿起這隻培養皿對著亮光仔細觀察了一陣，他發現了一種奇怪的現象：在這綠色黴菌菌落的周圍，所有原先生長著的葡萄球菌全都被消滅了，在菌落的周圍形成了一個空白透明的圈。弗萊明認真地記錄下這一奇觀。他想一定是有什麼東西把葡萄球菌消滅溶化了。他把這個綠色菌落培養繁殖起來，對它進行仔細的研究。經過多次試驗，他發現凶惡的葡萄球菌被綠色黴菌製服了。
於是弗萊明和他的助手收集了許多青黴分泌的物質，用許多種細菌進行試驗。肺炎在當時是一種可怕的疾病，誰得了肺炎就等於宣判了死刑，它奪取了無數人的生命。可現在它有了克星，許多種細菌在試驗中都被青黴分泌的物質殺死了。接著弗萊明又進行了動物試驗，證明了它是無毒可靠的。他們把這個發現寫成了論文，發表在1929年英國的一本醫學雜誌上，並把這種青黴分泌的能殺菌的物質叫做青黴素。
青黴素在實驗室的試管裏可以成功地消滅危害人類的許多病菌，可是在培養青黴素的濾液裏僅含有少量的青黴素，即使用它來治療人體皮膚上一個小傷口，恐怕也要收集好幾公斤的濾液。如果要殺死人體內的病菌，需要量就更多了。這麼多濾液怎麼可能灌到人體內呢？
於是弗萊明的研究遇到了很大的難題，研究工作也停止了。當時，誰也沒有想到青黴素會成為今天我們對付病菌最厲害的藥物。當時人們忽視了弗萊明的發現，再也沒有人對它進行研究了。
整整11年過去了。弗萊明1929年發表的關於青黴素的論文，終於引起了一位科學家法勞萊的注意。當時，由於磺胺藥的廣泛應用，已經引起了細菌的抗藥性，磺胺藥似乎失靈了。科學家們在尋求著新的藥物，法勞萊也不例外。當他看到弗萊明的論文時，對青黴素產生了濃厚的興趣。他深知要用青黴素來為人類治療疾病，還必須付出艱辛的勞動。他組織起各方麵的專家集體攻關。經過漫長的歲月，經過幾百人的辛勤勞動，他們終於試製出一小勺青黴素，它當時的價格要比黃金貴重許多倍。一直到第二次世界大戰期間，人們才解決了青黴素生產過程中的許許多多的困難，終於使青黴素走出了實驗室，轉入工廠進行批量生產。當時人們都把它當作是殺滅病菌、拯救生命的靈丹妙藥。1941年，第二次世界大戰正酣，英國遭納粹德國的飛機狂轟濫炸，青黴素生產無法進行。1943年，他們遠渡重洋，開始組織在美國大量生產青黴素。青黴素的神奇功效在戰爭中馬上顯露出來，正是由於它的使用，才使無數的傷病員擺脫死亡的威脅。因此，它同原子彈、雷達一起被認為是第二次世界大戰的偉大產物。青黴素的發明使人類的平均壽命提高了二十多歲，它被認為是人類生命史上的重大發現之一。