На 28 септември 1928 г. шотландският биолог и фармаколог сър Александър Флеминг забелязва бактерициден мухъл, развиващ се в лабораторията му в Лондон и открива субстанцията, която по-късно е наречена пеницилин.
Пеницилинът е първият антибиотик в света и спада към групата на бета-лактамите. Въпреки че е открит от Флеминг, разработката на пеницилина за употреба като лекарство се приписва на лауреатите на Нобелова награда за медицина Хауърд Флори и Ърнст Чейн.
Въпреки това, няколко други изследователи описват бактериостатичния ефект на Penicillium по-рано от Флеминг. Изглежда, че първата подобна публикация е направена през 1875 година от Джон Тиндал в Кралското дружество в Лондон. Френският лекар Ернест Дюшен (Ernest Duchesne) документира смъртоносното въздействие на някои видове мухъл върху бактериите в публикация от 1894 г., която не е приета от института „Пастьор“ заради младостта му.
Флеминг разказва, че моментът на пробива му е в утрото на петък, 28 септември 1928 година. Докато работи в лабораторията си в мазето на болницата Св. Мария в Лондон (сега част от Империъл Колидж), Флеминг забелязва "ореол", в който липсва бактериален растеж около синьо-зеления мухъл, замърсяващ паничката на стафилококова бактериална култура. Той заключава, че мухълът освобождава субстанция, която потиска бактериалния растеж и разтваря клетките на бактерията.
Отглежда чиста култура и открива, че това е пеницилиновия мухъл, сега познат като Penicillium notatum. Чарлз Том, американски специалист работещ в Министерството на земеделието на САЩ, е признат експерт и Флеминг отнася въпроса до него. Флеминг измисля терминът "пеницилин" за да опише филтрата на "бульонната" култура на пеницилиновия мухъл.
Дори в тези ранни етапи, пеницилинът се оказва най-ефективен срещу Грам-положителните бактерии, и неефективен срещу Грам-отрицателни организми и плесени. Първоначално Флеминг смята че пеницилинът ще бъде полезен дезинфектант, тъй като е мощен при минимална токсичност в сравнение с антисептиците в онези дни, и отбелязва неговата стойност при изолация на Bacillus influenzae (бактериална инфлуенца / грип) (сега познат като Haemophilus influenzae). След по-нататъшни експерименти Флеминг е убеден, че пеницилинът не може да оживее достатъчно дълго в човешкото тяло, за да убие патогенните бактерии и спира да го изучава след 1931 г. През 1934 г. подновява клиничните проучвания до 1940 г.
Независимо от това обаче така и не успява да получи стабилна форма на антибиотика, която да бъде използвана като ефективно лекарство в практиката, заради което откритието му не е удостоено с особено внимание от страна на научната общност.
Решението на този сериозен проблем е намерено едва през 1939 година, когато австралийският фармаколог Хауърд Флори и английският биохимик Ернст Чейн се запознават с публикацията на Флеминг. Те повтарят опитите му, достигайки до същите лабораторни резултати, а впоследствие успяват да получат пречистен пеницилин, който прилагат върху плъхове и болни хора, установявайки категорично, че той действително има силно изразен лечебен ефект. Подкрепяни от правителствата на САЩ и Великобритания, те започват масово производство на удивителното лекарство през 1941 година, благодарение на което са спасени милиони човешки животи в годините на Втората световна война.
През 1942 година съветският микробиолог и епидемиолог Зинаида Ермолеева също успява да получи пеницилин в чист вид, а впоследствие активно участва в организирането на неговото промишлено производство в СССР, довело до спасяването на хиляди войнишки животи от пневмония, тетанус, гангрена, дифтерия и менингит в периода на Великата отечествена война.
На 11 декември 1945 година Флеминг, Флори и Чейн са удостоени с Нобелова награда за физиология или медицина за работата си върху пеницилина, предизвикал истинска революция в света на медицината.