1880年，貝林繼續用以毒攻毒的原理去消除白喉杆菌毒素。白喉杆菌為染色不勻的革蘭氏陽性杆菌，侵入人體咽部黏膜後，在表層組織繁殖形成菌落。繁殖過程中所產生的外毒素對細胞有強烈的毒性作用，使咽部組織產生炎症、壞死與滲出。滲出物質及壞死上皮細胞及細菌凝結成本病所特有的灰白色假膜，假膜範圍越大，毒素吸收越多，病情越重。毒素人血產生全身中毒性病變(如心肌炎)、周圍神經髓鞘變性、腎髒間質性病變和肝髒脂肪變性等。貝林將白喉杆菌注射到豚鼠身上，使它們患白喉病，然後注射不同毒性的藥物進行治療。結果，大量豚鼠死亡，僅有兩隻豚鼠活了下來。緊接著，他注射比前一次劑量更大的白喉杆菌，沒有發現豚鼠不正常反應。他又把從白喉杆菌中分離出來的劇毒白喉毒素注射到這兩隻豚鼠身上，結果還是沒有發現任何異常現象。
從這些實驗結果中不難發現，在這兩隻耐受白喉杆菌的豚鼠體內，確實產生了一種能中和毒素的抗毒素，從而使它們的心髒不再受白喉毒素的麻痹。為了證明這種白喉抗毒素存在於耐受白喉杆菌的動物血清裏，貝林又進行了一係列的試驗。他選出一隻耐受白喉杆菌的豚鼠和一隻未耐受白喉杆菌的豚鼠，從它們身上抽取一定數量的血，並分別分離出血清。將這些血清混合白喉毒素後分別注射到另兩隻正常的豚鼠上，出現的結果是一隻存活，另一隻死亡。
為了從動物身上取得更多含有白喉抗毒素的血清，貝林在許多動物身上進行了反複試驗，最後在羊身上找到了大量含抗毒素的血清。
盡管破傷風抗毒素血清不能挽救患破傷風的病人，但是，動物的白喉抗毒素血清能不能用來治療白喉呢?貝林並未放棄這種想法。他和北裏柴三郎進行了試驗，得出了肯定的結論。在他們的論文發表後僅一年多的時間，柏林的蓋斯林在1891年聖誕節之夜就用白喉抗毒素血清，第一次救活了病孩。據柏林的一家醫院的報告，病死率從48％降到13％，以後又有繼續下降。由於白喉是當時造成兒童死亡的主要疾病，因此，“血清治療”這項獨特的成就，轟動了全世界。為此，貝林與一位法國醫生分獲法國醫學院的獎金，貝林和北裏柴三郎的研究也作出了理論上的貢獻。他們為免疫動物血清中這種物質創造了“抗毒素”的名稱，即把它注射給正常動物時，就能使該動物獲得免疫力。以後，根據他們的建議，某類抗體這一更普通的概念出現了。
1901年，由於貝林在抗毒素血清治療，特別是運用血清治療法防治白喉和破傷風等疾病方麵的功績，他獲得了第一次設立的諾貝爾生理學和醫學獎。當時傳染病是對人類健康威脅最大的一種疾病，而且沒有有效的治療方法。血清療法給當時對傳染病的治療帶來了極大的鼓舞，在化學療法和抗生素出現之前，醫生們曾經在相當長時期內指望用血清療法治療其他傳染病。這也成為馮·貝林榮獲諾貝爾生理學和醫學獎的原因。雖然馮·貝林當時的資曆和聲望都比科赫與艾利希低，但他獲得諾貝爾獎卻比他的老師(科赫是在1905年因研究結核杆菌而獲得諾貝爾獎的)和同事(艾利希是在1908年因免疫學方麵的成就而獲得諾貝爾獎的)都早。
貝林以及北裏柴三郎的血清治療為征服傳染性疾病提供了一種重要依據。但是，生產白喉抗毒素的方法最初是很不理想的。直到艾利希設計出了測量血清中抗毒素含量的定量方法，並且解決了大量生產白喉抗毒素的技術問題後，血清治療才成了對付疾病的普遍有效手段。
早期人類血液的崇拜
在遠古時代，人們就意識到血液對生命的重要性。在一些原始部落，人們將要下葬的屍體塗上紅色，希望藉這種色彩來賦予死者生命的活力。不同的文明都把血液視為生命的重要象征。
早在公元前4000或5000年以前，蘇美爾人就在位於西亞幼發拉底河與底格裏斯河之間的美索不達米亞建立了蘇美爾王朝。蘇美爾人將血液視為生命功能的輸送者，因此認為貯藏血液的器官肝髒是生命活動的中樞，並用動物的肝髒來預測吉凶禍福。考古學家在對發掘出土的蘇美爾陶片的研究中，發現了40多片與醫學有關的記述，其中就有關於血液功能的解釋。他們認為血液是生命活動的中心，生命的延續是由於血液再生的緣故，疾病則是血液運行受到阻礙而造成的紊亂。巴比倫人征服了美索不達米亞後，繼承了蘇美爾人將血液作為生命的中心的思想。巴比倫的占星術發達，他們通過觀察日月星辰的運動變化來推測和解釋地球上的自然現象和人體的疾病，認為人體內血液和其他體液的運行都受到日月星辰的影響。由於肝髒含有豐富的血液，巴比倫人相信肝髒是生命和靈魂的寄居地。他們通過解剖所祭獻的公羊或山羊的肝髒，觀察其形狀》0肝葉的線來判斷病人的病情，因為巴比倫人認為相似的東西是相互關聯、相互滲透的。巴比倫僧侶還用黏土製作了精美的肝髒模型供教授僧徒所用。
在美索不達米亞展現它燦爛的文明同時，尼羅河流域也誕生了一個古老的文明。公元前3400年，古埃及國王美尼斯統一了上埃及和下埃及兩個王國，並在上埃及和下埃及的交界處建立了一座被稱為“白色城牆的城市”——孟菲斯。古埃及人用蘆葦製的草紙記載他們所觀察到的日月星辰的運動、氣候的變遷，也記載他們的神話、傳說以及古老的醫學思想和醫療活動。我們從這些記載古埃及人的醫學觀念及衛生保健狀況的紙草文(papyrus)中，可以得知古埃及人也認識到了血液的重要性。例如，在《死者書》中古埃及人記載了血液使人起死回生的故事。埃及人在製做木乃伊時，將幹屍塗成紅色，也是希望賦予他生命的活力。埃及人也從製做木乃伊中獲得了許多解剖學知識。埃伯斯紙草文記載了心髒是全身血液的中樞，指出心髒有多根血管連接身體各部。
古希臘古羅馬對血液的認識
古希臘的醫學家拋棄了鬼神致病、魔術治療的醫學，將知識建立在對自然的觀察和經驗的積累上。古希臘著名的哲學家和醫學家恩培多克勒認為血液是動物熱和生命的攜帶者。古希臘著名醫學家希波克拉底建立的體液論成為當時最重要的醫學理論。他認為人體內存在著四種體液，即血液、黏液、黃膽汁和黑膽汁。各種體液配合正常，人就健康。若某種體液過多或過少，或與其他體液分離，則會引起疾病。
在古希臘醫學中，“體液”指的是在人體內管腔中流動著的各種軀體液體。在顯微鏡和其他檢測機體結構和功能的儀器設備發明之前，人體中的這些體液是最容易被看見的體內物質。人們根據以往的經驗，很容易將生命的特性至少部分歸結於這些體液，如認為血液是生命的重要指征，失血過多將會喪失生命。醫生們可根據人體體液的變化來判斷患者可能的病因。
古希臘醫學對血液的認識相當含糊的，通常隻是在疾病情況下提及這種存在於機體內必需的體液。雖然古希臘醫生對血液本身或者其中某一成分是否過多一直存在著爭論，但大多數人都認為痔、鼻衄、月經等表明血液過多是有害的。希波克拉底認為，季節的變化可導致血液過多，這些過多的血液會引起機體的損傷。血液過多的人被稱為多血質，多血質的人易患心髒病、癲癇或麻風病，可用放血和涼性藥物治療這類疾病。希波克拉底也注意到了孕婦的貧血現象，他認為可能是因為胚胎需要血液而造成了母親的貧血。
在四體液理論中，與血液有關的另一種體液是“黑膽汁”。由於在正常狀態下，人們是看不到黑膽汁的，它主要出現在病人身上，因此被認為是血液的對立物。血液一般被認為是有益的，而黑膽汁則是有害的，如胃潰瘍出血病人出現的黑色樣便，胃癌病人的黑色嘔吐物，患惡性瘧疾的病人會出現“黑尿病”等，這些在疾病時可能被看見的黑色(暗紅色)液體於是成為黑膽汁。由於黑膽汁可見於不同的情況，它可能是血凝塊，也可能是胃潰瘍嘔吐時的黑色血樣物質，因此醫生認為它有潛在的破壞性。
在古羅馬時期，人們對血液有了進一步的認識。老普林尼認為，骨髓“在年輕人是紅色的，在老年人則是蒼白的。”伊弗所的魯弗斯是圖拉真皇帝統治時期的醫生，他認識到當人被毒蛇咬傷後，出現黃疸是血液變化所引起的。
古羅馬時期最著名的醫生蓋侖讚同希波克拉底學派的體液論。他把體液的作用看作是各種不同氣質的基礎：血氣方剛者是由具有潮濕和溫暖這種基本性質的血液控製著；在冷靜沉著者的身上，是潮濕和寒冷的黏液控製著人體的靈魂特質；憂鬱的人是處在幹而冷的黑膽汁的影響之下；易怒者是受了幹而熱的黃膽汁的作用。蓋侖的體液論幾乎能解釋人類健康、疾病及其相關的任何問題，為疾病的治療後果提供了各種可能性回答。
顯微鏡的發明與血液觀察
從公元9～14世紀，位於意大利南部的薩勒諾醫學校一直是歐洲醫學的中心。現代醫史學家在出版於11世紀的薩勒諾醫學校的教科書中，發現了許多有關血液方麵的論述。如在談到貧血的表現時，包括麵色蠟黃、眼球突出、靜脈扁平、脈搏快，病人常感到身體沉重、時有頭疼、舌幹等。
當薩勒諾醫學校正處於繁榮興旺之時，英國的一位僧侶羅傑·培根走在了時代的前麵，他批判經院哲學，提出科學應當建立在經驗之上，應當通過觀察自然獲得知識，而不是從書本中。羅傑·培根不僅提出研究自然的新觀點，而且他在光學方麵的研究導致了顯微鏡的發現。1285年，他在一本論述光學的書中，提到了可放大小物體的鏡子。雖然他自己沒有製造出顯微鏡，但卻預見了這項偉大的發明。
在羅傑·培根提出顯微鏡的概念近300年之後，一位荷蘭的眼鏡製造者簡森在1590年製造出了第一台顯微鏡。
1665年，英國人胡克在簡森的基礎上又製造出複式顯微鏡。然而，最初的顯微鏡在觀察微小物體方麵還存在著許多技術上的問題，如鏡片質量、光源和精密的聚焦裝置等。因此，早期的顯微鏡隻不過是上流社會家庭中的擺設和一種時髦的玩意。
隨著顯微鏡的不斷改進，科學家開始用它來進行生物學觀察。第一個用顯微鏡來觀察並描述紅細胞的人是荷蘭阿姆斯特丹的斯瓦默丹姆。斯瓦默丹姆在1658年出版的《昆蟲史》中寫道：“我觀察了蛙的肌肉、皮膚、眼睛和血液。當我把他們放在顯微鏡下時，我發現他們是由一些更小的纖維和更小的球構成……”1660年，意大利波洛那大學的解剖家學馬爾比基觀察到了蛙的紅細胞流經毛細血管的現象，證明了動脈和靜脈之間的聯係。
荷蘭德爾福特市的列文虎克作為一位業餘愛好者，熱衷於用顯微鏡進行觀察。他詳細地記錄了他觀察人體紅細胞的情況：“我多次努力觀察血液，希望了解它的構成。我從自己的手上采集了一些血液，(在顯微鏡下)觀察到它們是由許多非常小的小球組成的，但我不能確定是否所有的血液都是如此。”他將此記錄寄送到《倫敦皇家學會哲學通報》。1674年9月21日，《倫敦皇家學會哲學通報》發表了這篇著名的觀察報告。
然而，如果不是列文虎克的朋友格拉夫醫生力求倫敦皇家學會秘書發表列文虎克描述他的顯微鏡觀察結果的通信，列文虎克的研究很可能就會被遺忘。從今天的觀點來看，當時著名的科學出版物《倫敦皇家學會哲學通報》發表一個沒有任何科學背景的人的觀察，似乎是不可思議的。當然，那時的《倫敦皇家學會哲學通報》也剛剛創辦不久(1665年創刊)，實際上，當時《倫敦皇家學會哲學通報》上除了刊登許多重要的科學發現之外，也夾雜著一些似是而非的甚至虛假的觀察和論點。
顯微鏡的發明開始了一個新時代。1675年5月，斯賓諾莎在給皇家學會秘書亨利·奧登伯格的信中提到了他和朋友們都認為顯微鏡發明是一件驚奇的事情。1684年9月出版的《文學月刊》上的報道說：“隨著這個消息在列文虎克的國家公布後，其他許多國家也公布了他發明顯微鏡的消息，因此這個消息是相當可靠的。法國、英國和德；國的報紙都談論著他的名字和發現，以至於他已經成為整個世界的著名人物。”
當然，列文虎克是如何用他那隻有一個放大鏡的原始顯微鏡看到許多細微的解剖學結構的，人們依然存有疑問。有學者認為，列文虎克可能用一個眼鏡片與他的顯微鏡結合使用，因此創造出了複式顯微鏡，提高了顯微鏡的放大倍數，從而能觀察到人體的微小解剖結構。列文虎克發明的顯微鏡現保存在荷蘭烏得勒支大學博物館。
骨髓造血功能的發現
盡管顯微鏡是研究血液的重要工具，但標誌著現代血液學發展的裏程碑事件是骨髓造血功能的發現和血細胞染色方法的建立。
幾千年來，無論是詩人、哲學家，還是醫生都將血液與生命緊密地聯係在一起。他們推測血液或是由於呼吸了大自然中的靈氣形成，或是由食物中的精華轉變而來，然而，他們並沒有弄清楚血液的真正來源。
應當說人類在很久以前就認識到骨髓的重要性。在古代，人們吃動物的骨髓，認為它含有豐富的營養。中醫認為骨髓是由飲食水穀的精液與腎氣和合，滲入骨空後轉化而成，骨髓充足可以上升補益腦髓。在西方，骨髓被認為是產生人體天然熱和能量的源泉。莎士比亞說：“你的骨無髓，所以你的血是冷的。”
人們似乎意識到骨髓與血液之間有某種聯係。在19世紀初，已有醫生要患血液病的病人吃骨髓補血，但收效不大。直到19世紀中葉，骨髓產生血液的奧秘才分別由德國醫學家紐曼和意大利醫學家比佐澤羅揭開。