Antybiotyki były używane od tysiącleci w leczeniu infekcji, chociaż do ostatniego stulecia ludzie nie wiedzieli, że infekcje były spowodowane przez bakterie. Do leczenia infekcji niektórych najwcześniejszych cywilizacji używano różnych pleśni i wyciągów roślinnych – na przykład starożytni Egipcjanie stosowali spleśniały chleb na zainfekowane rany. Niemniej aż do XX wieku infekcje wywoływane przez bakterie, które obecnie uważamy za łatwe do leczenia – takie jak zapalenie płuc i biegunka – były główną przyczyną śmierci ludzi w krajach rozwiniętych.
Nie było to Aż do końca XIX wieku naukowcy zaczęli obserwować działanie przeciwbakteryjnych substancji chemicznych. Paul Ehrlich, niemiecki lekarz, zauważył, że niektóre barwniki chemiczne zabarwiają niektóre komórki bakteryjne, a inne nie. Doszedł do wniosku, że zgodnie z tą zasadą musi być możliwe tworzenie substancji, które mogą wybiórczo zabijać określone bakterie bez szkody dla innych komórek. W 1909 roku odkrył, że substancja chemiczna zwana arfenamina jest skuteczną metodą leczenia kiły. Był to pierwszy nowoczesny antybiotyk, chociaż sam Ehrlich nazwał swoje odkrycie „chemioterapią” – zastosowaniem środka chemicznego w leczeniu choroby. Słowo „antybiotyki” zostało po raz pierwszy użyte ponad 30 lat później przez ukraińsko-amerykańskiego wynalazcę i mikrobiologa Selmana Waksmana, który w swoim życiu odkrył ponad 20 antybiotyków.
Alexander Fleming był, jak się wydaje, nieco nieporządny w swoją pracę i przypadkowo odkrył penicylinę. Po powrocie z wakacji w Suffolk w 1928 roku zauważył, że grzyb Penicillium notatum zanieczyścił płytkę hodowlaną bakterii Staphylococcus, które przypadkowo pozostawił odkryte. Grzyb stworzył strefy wolne od bakterii wszędzie tam, gdzie wyrósł na talerzu. Fleming wyizolował i wyhodował pleśń w czystej kulturze. Odkrył, że P. notatum okazał się niezwykle skuteczny nawet w bardzo niskich stężeniach, zapobiegając rozwojowi Staphylococcus nawet po 800-krotnym rozcieńczeniu i był mniej toksyczny niż stosowane wówczas środki dezynfekujące.
Po wczesnych próbach leczenia ludzkich ran współpraca z brytyjskimi firmami farmaceutycznymi zapewniła możliwość masowej produkcji penicyliny (antybiotyku wytwarzanego przez P. notatum). Po pożarze w Bostonie w stanie Massachusetts w USA, w którym zginęło prawie 500 osób, wielu ocalałych otrzymało przeszczepy skóry, które są podatne na infekcję gronkowcem. Leczenie penicyliną odniosło ogromny sukces, a rząd USA zaczął wspierać masową produkcję tego leku. W D-Day w 1944 roku penicylina była szeroko stosowana w leczeniu zakażeń żołnierzy zarówno w terenie, jak iw szpitalach w całej Europie. Pod koniec drugiej wojny światowej penicylina była nazywana „cudownym lekiem” i uratowała wiele istnień ludzkich.
Naukowcy z Oksfordu odegrali kluczową rolę w opracowaniu procesu masowej produkcji, a Howard Florey i Ernst Chain podzielili się Nagroda Nobla w dziedzinie medycyny z Alexandrem Flemingiem za ich rolę w stworzeniu pierwszego masowo produkowanego antybiotyku.