Alexander Fleming, szkocki bakteriolog z Londynu, odkrył penicylinę przez pomyłkę, gdy próbował zbadać bakterie Staphylococcus w 1928 roku. Prowadził eksperymenty z bakteriami w swoim laboratorium w londyńskim szpitalu St. Mary’s i ustawił naczynie laboratoryjne zawierające bakterie w pobliżu otwarte okno. Po powrocie do eksperymentu odkrył, że trochę pleśni wpadło przez otwarte okno na naczynie, zanieczyszczając bakterie.
Zamiast odrzucić swój zepsuty eksperyment, Fleming przyjrzał mu się uważnie pod mikroskopem. Co zaskakujące, zobaczył nie tylko pleśń rosnącą na bakteriach, ale także wyraźną strefę wokół pleśni. Pleśń Penicillium, prekursor penicyliny, rozpuszczała śmiertelną bakterię Staphylococcus.
Fleming był początkowo optymistą, że penicylina może być użyteczna jako środek przeciwbakteryjny, ponieważ jest bezpieczna dla ludzkiego organizmu, ale silna. Później, w 1931, zmienił zdanie i zdecydował, że nie będzie trwał u ludzi przez czas potrzebny do zabicia szkodliwych bakterii, i zaprzestał badań. W 1934 rozpoczął kolejne kilka lat prób klinicznych i próbował znaleźć kogoś innego, kto by ją oczyścił.
Naukowcy z Uniwersytetu Oksfordzkiego w Anglii, w tym Howard Florey, Ernst Chain i Norman Heatley, eksperymentowali z odkryciem Fleminga. Udowodnili, że penicylina byłaby zarówno nieszkodliwa, jak i skuteczna u myszy, ale nie miała jeszcze wystarczającej ilości potrzebnej do leczenia ludzi. Orvan Hess i John Bumstead byli pierwszymi osobami, które wykorzystały go do skutecznego leczenia pacjenta.
Penicylina uratowała życie wielu żołnierzom podczas II wojny światowej, ale ich podaż była bardzo ograniczona, a lek był szybko wydalany z organizmu, więc pacjenci musieli być często dawkowani. W tym momencie powszechną praktyką było oszczędzanie moczu pacjentów poddawanych leczeniu, aby można było wyizolować i ponownie użyć penicyliny. Odkryto, że inny czynnik, probenecyd, wydłuża czas działania penicyliny w ludzkim ciele.
Fleming, Florey i Chain otrzymali w 1945 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny za odkrycie i rozwój penicyliny. Florey otwarcie martwił się możliwością eksplozji populacji wynikającej z poprawy opieki zdrowotnej i powiedział, że jego praca z antybiotykiem była bardziej interesującym problemem naukowym niż sposobem na pomoc ludziom. Przyznał, że fakt, że może pomóc ludziom, był dobrą rzeczą, ale nie dlatego początkowo był zainteresowany.
Andrew J. Moyer odkrył później, jak wytwarzać duże ilości penicyliny, patentując ten proces i rozwijając walkę z chorobami zakaźnymi. W 1987 roku został wprowadzony do Galerii Sław Narodowych Wynalazców za proces tworzenia dużych ilości penicyliny.