Pamätný objav penicilínu sa zrodil v septembri 1928, kedy sa Fleming vrátil po dovolenke do svojho laboratória a pri upratovaní sa rozhodol nevyhodiť, ale bližšie preskúmať pár plesnivých vzoriek. Pleseň, ktorá zabíjala okolité mikróby, sa stala základom objavu penicilínu, ktorý bol na človeku pokusne použitý prvýkrát 17. januára 1941.
Onoho septembrového dňa roku 1928 si Fleming vo svojom laboratóriu, kde skúmal stafylokokové kmene všimol na niekoľkých miskách rozbujnelé plesne a okolo nej akýchsi „vyžratých“ ostrovčekov.
Ďalšími pokusmi potom zistil, že táto „plesňová šťava“ aj vo veľmi zriedenom stave nezabíja len stafylokoky, ale aj iné mikróby, a navyše nie je jedovatá. Keď sa ale po skúšaní na myšiach (aj na svojom kolegovi) snažil vyliečiť hnisajúcu ranu, nepodarilo sa. Fleming totiž z plesní vydelil len nie príliš stabilný extrakt a nedokázal izolovať onú účinnú látku, ktorú podľa rodu plesne Penicillium nazval penicilín. O rok neskôr o svojom objave informoval verejnosť.
„Vyčistiť“ penicilín sa podarilo až v roku 1940 tímu vedcov z Oxfordskej univerzity pod vedením chemikov Ernsta Borisa Chaina a Howarda Waltera Floreyho a o rok neskôr bol skúšobne podaný človeku. V roku 1945 Chain, Florey a Fleming dostali za tento objav Nobelovu cenu.
Ďalším problémom ale bolo vyvinúť postup výroby penicilínu, na čo sa v Británii nenašli peniaze, a tak Florey odišiel hľadať pomoc do USA. Vďaka výskumu americkej vlády sa tak mohol na jeseň 1943 „superliek“ začať vyrábať vo veľkom a rok nato už liečil vojakov vo vojne.
Alexander Fleming sa narodil 6. augusta 1881 v škótskom Lochfielde. V 13 rokoch odišiel za bratom – očným lekárom do Londýna, kde vyštudoval Polytechnickú vyššiu školu a štyri roky pracoval ako úradník u paroplavebnej spoločnosti. V roku 1901 sa zapísal na lekársku fakultu pri nemocnici sv. Márie, kde potom strávil celý život. O voľbe odboru vraj rozhodlo to, že v tamojšom bakteriologickom oddelení potrebovali dobrého strelca pre súťaž medzi nemocnicami. A tak sa Fleming stal asistentom Almrotha Wrigta, priekopníka na poli očkovania a imunológie.
Počas prvej svetovej vojny, v ktorej slúžil ako kapitán v armádnom lekárskom zbore, sa oženil s írskou zdravotnou sestrou Sarah McElroyovou, s ktorou mal syna (tiež lekára). Po jej smrti sa jeho druhou manželkou stala v roku 1953 grécka kolegyňa z nemocnice.
Prvým významným objavom Flemingovho výskumu sa stal v roku 1922 lyzozým – enzým prítomný napríklad v slzách či vaječnom bielku a hubiaci niektoré mikroorganizmy. K tomu objavu došiel Fleming tak, že naočkoval vlastné hlieny z nosa na bakteriálne kultúry a keď sa ukázalo, že hlien baktérie ničí, použil rovnako vlastné slzy, ktoré tiež pôsobili ako antiseptikum. Objav bol síce zásadné, nie však prakticky využiteľný ako neskôr penicilín, na ktorý Fleming prišiel pri výskume chrípkového vírusu.
Profesor Fleming bol v roku 1943 zvolený za člena Kráľovskej spoločnosti a o rok neskôr mu bol udelený titul sir. Za svoju prácu, o ktorej napísal početné štúdie, dostal mnohé vyznamenania a tituly, okrem iného čestné doktoráty takmer tridsiatich európskych a amerických univerzít. V rokoch 1951 až 1954 pôsobil aj ako rektor Edinburskej univerzity. Doktor Fleming zomrel 11. marca 1955 a je pochovaný v londýnskej katedrále sv. Pavla.
V roku 1999 sa Fleming dostal v ankete britskej televíznej a rozhlasovej stanice BBC medzi 100 najväčších osobností Británie všetkých čias, časopis Time ho dokonca zaradil medzi stovku najvýznamnejších osobností sveta. V rodnom Škótsku sa v podobnej ankete zaradil na tretie miesto v rebríčku najväčších osobností Škótska hneď za básnikom Robertom Burnsom a škótskym národným hrdinom a bojovníkom za nezávislosť Williamom Wallaceom.