Năm 16 tuổi, Alexander đã đỗ tất cả các kỳ thi và đi làm ở hãng tàu thuỷ America Line. Công việc ông làm là thư ký, ông phải sao chép các tư liệu bằng tay, giữ các sổ sách kế toán, các chi tiết hồ sơ hàng hoá và hành khách. Năm 1901, một cơ hội bất ngờ đã đến với Alexander: một ông chú mới qua đời đã để lại di sản cho tất cả các anh em nhà Fleming. Bác sỹ Tom Fleming đã dùng số tiền của mình để mở một phòng khám và ông khá đông khách. Tom đã khuyên Alexander dùng số tiền mình có để theo học ngành y. Alexander rất thích ý tưởng này vì ông đã chán ngấy công việc nhàm chán ở hãng tàu thuỷ. Tuy nhiên để học trường y rất khó bởi Alexander đã 20 tuổi, nhiều hơn phần lớn các sinh viên năm thứ nhất, ông lại rời trường phổ thông từ năm 13 tuổi. Alexander đã tìm một giáo viên dạy kèm vào các buổi chiều. Tháng 7/1901 ông đã thi và đỗ tất cả 16 môn học, tháng 10 năm đó ông được nhận vào Trường y Bệnh viện St Mary. Mục đích theo học ngành y của ông chỉ là để bỏ công việc thư ký nhàm chán, không ngờ khi vào học ông đã rất thích thú với nghề này. Ông hăng say học tập và nổi tiếng trong đám sinh viên về việc đoạt các phần thưởng. Tháng 7/1904 ông đã đậu kỳ thi y thứ nhất và theo học chuyên ngành bác sỹ phẫu thuật. Trong quá trình học tập, Alexander chứng kiến rất nhiều bệnh nhân chết vì bị vi trùng xâm nhập cơ thể mà không một bác sỹ nào có thể đánh lui được chúng. A.Fleming đã may mắn được học giáo sư Almroth Wright là người đi tiên phong trong việc nghiên cứu chống lại các vi trùng gây bệnh.
Vi trùng đã được quan sát và ghi chép từ thế kỷ 17. Năm 1870 nhà bác học người Pháp - Luis Pasteur đã đề xuất tiêm một vac-xin làm các vi khuẩn bị yếu đi, từ đó thúc đẩy cơ chế bảo vệ tự nhiên của cơ thể, chống lại bệnh tật. Almroth Wright đã cổ vũ nhiệt thành cho học thuyết này, trong các buổi lên giảng đường ông tuyên truyền rất thuyết phục ý tưởng này khiến A.Fleming bị thuyết phục và có ý định trở thành một nhà vi khuẩn học.
Năm 1906, Fleming đã tốt nghiệp trường y và được nhận làm trợ giáo trong khoa của Almroth Wright. A.Fleming thích ứng nhanh chóng với công việc, ông cũng như những người khác trong khoa đã bị thu hút vào việc nghiên cứu tiêm vac-xin đã làm được gì cho hệ thống bảo vệ của thân thể? Cái mà chúng ta gọi là hệ thống miễn nhiễm là gì? Cái gì chính xác đã xảy ra khi một vac-xin được tiêm vào? Thân thể đã phản ứng như thế nào? v.v… Họ đã làm rất nhiều thí nghiệm và đã có được một số thành công. Năm 1908, Alexander đậu kỳ thi tiếp theo đạt hạng ưu và được thưởng huy chương vàng. Đến tháng 6/1909 ông đậu tiếp kỳ thi chuyên khoa giải phẫu. Lẽ ra ông có thể đi làm công việc của một bác sỹ phẫu thuật nhưng ông vẫn quyết định ở lại khoa vi trùng và ông đã nhanh chóng trở thành một bác sỹ danh tiếng ở khoa.
Năm 1914, thế chiến thứ nhất bùng nổ, A.Fleming được huy động đến một bệnh viện ở Pháp để phục vụ việc tiêm vac-xin phòng thương hàn cho quân nhân ở chiến trường, công việc nghiên cứu của ông bị chững lại một thời gian. Thế chiến kết thúc, ông lại quay về khoa tiêm chủng bệnh viện St Mary.
Năm 1921, ông đã khám phá ra chất khử trùng tự nhiên. Sau nhiều thực nghiệm làm đi làm lại, A.Fleming nhận thấy thân thể người có một chất tự bảo vệ, đó là tuyến bảo vệ nội bộ đầu tiên của thân thể, có khả năng ngăn chặn các vi khuẩn thông thường, nếu các vi khuẩn vượt qua tuyến này thì mới gây nguy hiểm cho con người. Ông đã đặt tên cho chất này là Lysozyme. Khám phá này rất quan trọng để đưa ông đến thành công tiếp theo.
Trước khi chuẩn bị nghỉ hè trong vòng 2 tuần, thông thường phòng thí nghiệm sẽ được vệ sinh thật sạch, nhưng Alexander Fleming đã quên không dọn dẹp. Khi trở về sau kỳ nghỉ, vào buổi sáng thứ sáu ngày 28 tháng 9 năm 1928, như thường lệ Alexander Fleming đến phòng thí nghiệm, ông chợt chăm chú tới một đĩa cấy vi khuẩn cầu chùm từ nhiều tuần trước. Ông nhìn kỹ chiếc đĩa và thấy ở gần bên mép đĩa có một mảng meo (nấm mốc) như nùi bông đã phát triển. Trong đĩa là các tập đoàn vi khuẩn mà họ đã cấy vào từ trước, bên cạnh mảng meo đó, lạ thay không có vi khuẩn nào cả. Alexander rất tò mò: cái gì đã giết chết các vi khuẩn cầu chùm? Ông lập tức thử lại một lần nữa, ông đặt chất meo đó lên một đĩa mới và cấy các khuẩn cầu chùm sát cạnh nó. Kết quả thật đáng kinh ngạc: chất dịch meo của ông có thể ngăn chặn một số vi khuẩn nguy hiểm nhất không cho chúng phát triển. Sau một số thí nghiệm ông nhận thấy chất dịch meo đó không làm hại đến thân thể - các thực bào vẫn bận rộn làm việc. Ngay cả khi chất dịch được tiêm vào một con chuột và một con thỏ vẫn không có những hậu quả. Ngay cả khi được pha rất loãng nó vẫn diệt được các vi khuẩn. Chất mới phát hiện ra này, ông đặt tên cho nó là Penicillin.
Tuy nhiên lúc ấy ông và các cộng sự không thể chiết xuất được Penicillin để tinh chế nó mà phải đến 11 năm sau, 2 nhà khoa học là Florey và Chain của Đại học Oxford mới làm được điều này, họ đã biến Penicillin thành “thuốc tiên” cứu sống hàng triệu sinh mạng. Tháng 8/1942 tại bệnh viện St Mary, Alexander Fleming đã dùng Penicillin của nhóm Oxford để tiêm cho bệnh nhân Harry Lambert bị viêm màng não - một bệnh mà thời bấy giờ vô phương cứu chữa. Harry Lambert đã khỏi bệnh sau một tháng điều trị. Từ đó tên tuổi Alexander Fleming nổi tiếng khắp thế giới và nổi tiếng mọi thời đại. Nhiều bác sỹ cho rằng Penicillin là tiến bộ y học lớn nhất mà thế giới đã biết từ trước đến giờ. Trước những năm 1940, các bệnh viện đầy những người mắc các bệnh nhiễm khuẩn và phần nhiều bị chết. Nhờ có Penicillin những nhiễm khuẩn thông thường đã bị đẩy lùi. Nhiều loại Penicillin bây giờ đã được sản xuất, được cấu trúc một cách chuyên biệt cho các bệnh nhiễm khuẩn riêng biệt và được uống cũng như tiêm. Có thể nói Penicillin đã làm thay đổi thế giới. Năm 1943, Anh và Mỹ đã sản xuất Penicilin với quy mô công nghiệp, để chữa trị các bệnh nhiễm trùng phục vụ cho chiến tranh thế giới thứ hai.
Năm 1945, Alexander Fleming được tặng giải thưởng Nobel về y học cùng với Ernst Boris Chain và Howard Walter Florey về việc tìm ra và phân tách được penicillin – được coi là loại kháng sinh đầu tiên trong việc điều trị những bệnh nhiễm trùng.
Alexander Fleming qua đời ngày 11/3/1955, để lại cho đời những phát minh vô giá, cứu sống hàng triệu người. Ngày nay, rất nhiều loại kháng sinh khác đã được phát minh ra, nhưng penicillin vẫn là chất kháng sinh được sử dụng nhiều nhất trên thế giới.