磺胺类药物标志着在化学疗法方面的一大突破，但在40年代它却在很大程度上被迫让位于抗菌素。虽然霉的抗菌作用曾被报导，而且对霉的作用做了至少好几次的调查研究，直至1928年A·弗莱明（Alexander Fleming，1881—1955）出名后，这类药物才开始它自己的历史。有一次他在度完小休之后回到自己实验室时，观察到在一只培养葡萄球菌的培养皿上生长了一种蓝色霉菌。在这种霉菌周围有一晕圈，在晕圈内，没有细菌生长。这种霉菌显然分泌出一种致死物质通过培养基向外扩散，它们所到之处细菌都被杀死。弗莱明知道了这种培养基含有抗菌物质并命名为青霉素，这种霉对实验动物不显示毒性。
　　由于弗莱明在伦敦的圣玛利医院供职，医务缠身，使他不能专心致志地继续观察研究；而随着磺胺类药物的出现及使用效果使人们普遍对他关于青霉素的报告不感兴趣。直至1936年在澳大利亚出生的 H·W·弗洛里（Howard Walter Florey）和从纳粹统治下逃出的难民E·B·钱恩（Ernst Boris Chain）才在牛津重新对青霉素进行实验。他们证实了弗莱明的观察结果并继续工作，从某种不纯净的药粉中提取一些物质。这些物质对于被实验动物身上某些细菌具有特别强的杀伤力。1942年化学家钱恩制成了一种纯净的化学药粉。弗莱明把这种药粉用来治疗脑膜炎并且取得了成功。这时弗洛里访问了美国，知道在联邦政府的帮助下，默克、普菲泽尔和斯奎布等公司已制订了进行工业生产计划。联邦政府的雄厚资金给这项研究和生产以有力的支持，及时解决了青霉素面临的生产问题，使之能为战争提供充足的药品。
　　对于青霉素的化学研究人们也进行了相当大量的工作。不久英国和美国的化学家们的研究结果证实了有好几种青霉素的存在。根据 D·C·霍奇金（Dorothy Crowfoot Hodgkin）的研究结果，人们弄清了青霉素的结构。发现不同的青霉素具有大致相同的结构，差别只是在于某一侧链的结构不同。不久人们也清楚地知道了，合成这种分子是不容易的。但是用生物合成的手段使合成各种各样的青霉素获得惊人的成功。1957年J·C·希恩和K·R·亨纳利洛根经过了九年的研究之后，合成了青霉素V。
　　大约从1940年开始，人们对于抗菌素的兴趣越来越浓。越来越多的人从事于由微生物产生出来的抑制细菌物质的基础研究。1939年 R·J·杜博（Rene J.Dubos，1901—？）这位一直在洛克菲勒研究所工作的学者宣布，他从短杆菌中分离出一种抗菌的物质。这种物质不久就被分成短杆菌酪和短杆菌肽。虽然它们以结晶状被提取出来，但它们后来都被分离为各种相应的多肽。1944年苏联的高斯（Gause）所宣布的短杆菌肽S也是一种多肽。虽然这些化合物对于革兰氏阳性细菌具有药效，但由于它们的毒性强，使它们不能作为药物来使用。
　　瓦克斯曼（Waksman）和他在鲁特格斯（Rutgers）的同事们共同研究，在1943年发现了链霉素。S· A·瓦克斯曼（Selman A.Waksman，1888—1973）是第一流的土壤细菌学家，他从一种土壤生物体中分离出灰色链霉素这种物质。链霉素是一种治疗肾脏传染病、肺结核病和其他好几种青霉素不能治疗的疾病的一种有效药剂。要证实这种物质的复杂化学结构需要大量的研究。它是由一个碱基（链霉胍），一个糖（链霉糖）和一个氨基葡萄糖的残基构成的。在天然糖的衍生物中这种葡萄糖的残基是唯一显示L构型的。
　　早在40年代，许多制药厂对世界所有的由土壤微生物制成的药物进行了检验，竭力从中找出一些新的和有用的抗菌素。P·戴维斯（Parke Davis）所发现的氯霉素，就是从委内瑞拉土壤标本里得到的一种霉（放射线菌属委内瑞拉链霉菌）中获得的。这种化合物结构简单，所以它很快就被用合成法制造出来在市场上销售了。
　　金霉素是由 B·达格尔（Benjamin Duggar，1872—1956）于1948年在里德尔（Lederle）实验室里从金色链霉菌中分离出来的；普菲泽尔公司的科学家们则从龟裂链霉菌中提取了土霉素，在此以前，他们曾检验过116，000个不同的土壤试样。到50年代人们发现这两种物质都是四环素的衍生物。而四环素则是从一些天然物质中分离出来的。这些化合物能有效地控制各种各样的细菌疾病、病毒性疾病和由立克次氏体引起的疾病。因此他们被称为广谱抗菌素。
　　抗菌素亦可用于动物饲养和用于禽肉、鱼肉和肉类的保鲜。在牲畜饲养中，由于抗菌素控制了进入牲畜消化道内的细菌，因而明显地提高了食物的利用率。
　　第二次世界大战之前，磺胺是唯一可以得到的有效的抗细菌药物。二次大战期间及战后，抗菌素研究在降低人、畜的致病率方面有着重大作用。
　　1945—1965年期间，青霉素开始大量使用，同时发现了头孢菌素。当时四环素、氯霉素、红霉素和氨基葡糖苷被用于治疗各种传染病。除了用发酵得到各种抗生素外，还开发了人工合成抗菌素，例如萘啶酮酸和硝基呋喃。在过去20年里，人们已作出了重大努力来改进临床使用的抗菌素的作用范围、效能和安全性。这包括发现新的发酵产物、欠佳的天然产物的化学修饰（半合成），以及用人工合成法引进新的结构类型等。在更加新的半合成青霉素中，有的药物不仅能抗普通的革兰氏阴性菌，而且能抗假单孢菌。这些假单孢菌在医院环境中正越来越成问题。早期的头孢菌素已经成功地被修饰成为具有显著广谱性、高效能和更加安全的新药物。
　　抗菌素研究的许多精力都曾用在对付产生抗药性的问题上，特别是医院环境里的抗药性。不幸的是，由于长期使用此药，细菌能产生抗药性，从而使抗菌素无效。例如，某些病菌能产生使抗菌素失活的酶。目前在设计合成破坏这类病菌酶的抑制剂方面已有了一些进展。另外一类细菌能通过阻止抗菌素进入菌体细胞而对其产生抗药性。当然，在这方面通过半合成衍生物及新药的发现，也取得了一些进展。