Ses découvertes les plus connues sont la découverte de l'enzyme lysozyme en 1923 et l'antibiotique pénicilline du moule Penicillium notatum en 1928, pour lequel il a partagé le prix Nobel de physiologie ou de médecine en 1945 avec Howard Florey et Ernst Chain.
Il est surtout connu pour avoir découvert la pénicilline, une substance antibiotique, en 1928. Il a partagé un prix Nobel de physiologie ou de médecine en 1945 pour cette découverte avec Howard Walter Florey et Ernst Boris Chain.