1906-tól a londoni St.Mary’s Medical Schoolban tanított, 1928-ban egyetemi tanár lett. Az immunológia, az általános bakteriológia és a kemoterápia területén kutatott. 1921-ben azonosította és izolálta a lizozimet. Ez az enzim bizonyos állati szövetekben és testváladékokban – pl. könnyben és nyálban – található, és antibiotikus hatású. 1928-ban felfedezte a penicillinnek nevezett anyagot, amely az élő szervezeten belül, annak károsítása nélkül, elpusztítja a baktériumokat. (A penicillin kémiai azonosítását H. W. Florey és E. B. Chain végezte el.) Eredményeit egy évvel később jelentette meg egy szakfolyóiratban. Ez volt az első gyógyszer, amelyet az antibiotikumok közé sorolnak. Az anyag ipari előállítása csak a második világháború idején valósult meg, a sebesültek gyorsabb kezelésének elősegítése miatt. Fleminget 1943-ban a Royal Society tagjává választották, 1944-ben lovaggá ütötték. 1945-ben orvosi Nobel-díjat kapott – megosztva – “a penicillin feltalálásáért, valamint annak felfedezéséért, hogy az számos fertőző betegségnek hatásos gyógyszere”. 1948-ban a londoni egyetem professzoraként vonult nyugdíjba. 1999-ben 1600 közismert skót személyiség közül az évszázad emberének választották.
