Antibiotika se používají k léčbě infekcí po tisíciletí, ačkoli až do minulého století lidé nevěděli, že infekce jsou způsobené bakteriemi. Různé formy a rostlinné extrakty byly použity k léčbě infekcí některými z nejstarších civilizací – například staří Egypťané aplikovali plesnivý chléb na infikované rány. Přesto až do 20. století byly infekce, které nyní považujeme za snadno léčitelné – jako je zápal plic a průjem – způsobené bakteriemi, nejčastější příčinou lidské smrti v rozvinutém světě.
Nebylo to Až do konce 19. století začali vědci pozorovat antibakteriální chemikálie v akci. Paul Ehrlich, německý lékař, poznamenal, že některá chemická barviva zabarvila některé bakteriální buňky, ale jiné ne. Došel k závěru, že podle tohoto principu musí být možné vytvářet látky, které mohou selektivně zabíjet určité bakterie, aniž by poškodily jiné buňky. V roce 1909 zjistil, že chemická látka zvaná arsphenamin je účinnou léčbou syfilisu. Toto se stalo prvním moderním antibiotikem, ačkoli sám Ehrlich odkazoval na svůj objev jako „chemoterapii“ – použití chemikálie k léčbě nemoci. Slovo „antibiotika“ poprvé použil o 30 let později ukrajinsko-americký vynálezce a mikrobiolog Selman Waksman, který za svého života objevil přes 20 antibiotik.
Zdá se, že Alexander Fleming byl v jeho práci a náhodou objevil penicilin. Po návratu z dovolené v Suffolku v roce 1928 si všiml, že houba Penicillium notatum kontaminovala kultivační destičku bakterií Staphylococcus, kterou náhodně nechal odkrytou. Houba vytvořila zóny bez bakterií všude tam, kde rostla na talíři. Fleming izoloval a pěstoval plíseň v čisté kultuře. Zjistil, že P. notatum se ukázal jako extrémně účinný i při velmi nízkých koncentracích, čímž zabraňoval růstu Staphylococcus, i když byl zředěn 800krát, a byl méně toxický než v té době používané dezinfekční prostředky.
Po časných pokusech o léčbu lidských ran Díky spolupráci s britskými farmaceutickými společnostmi byla možná hromadná výroba penicilinu (antibiotická chemická látka produkovaná P. notatum). Po požáru v Bostonu ve státě Massachusetts v USA, při kterém zemřelo téměř 500 lidí, dostalo přeživší kožní štěpy, které mohou být infikovány Staphylococcus. Léčba penicilinem byla nesmírně úspěšná a americká vláda začala podporovat masovou výrobu této drogy. Do dne D v roce 1944 byl penicilin široce používán k léčbě vojáků na infekce jak v terénu, tak v nemocnicích po celé Evropě. Na konci druhé světové války byl penicilin přezdíván „zázračná droga“ a zachránil mnoho životů.
Vědci v Oxfordu byli nápomocni při vývoji procesu hromadné výroby a Howard Florey a Ernst Chain sdíleli rok 1945 Nobelova cena za medicínu s Alexandrem Flemingem za jejich roli při vytváření prvního sériově vyráběného antibiotika.