Opleiding en vroege carrière
Fleming was het zevende van acht kinderen van een Schotse heuvelboer (derde van vier kinderen van de tweede vrouw van de boer). Zijn opvoeding op het platteland in het zuidwesten van Schotland scherpte zijn vermogen tot observatie en waardering van de natuurlijke wereld al op jonge leeftijd aan. Hij begon zijn lagere school in Loudoun Moor en ging daarna naar een grotere school in Darvel voordat hij zich in 1894 inschreef aan de Kilmarnock Academy. In 1895 verhuisde hij naar Londen om bij zijn oudere broer Thomas (die als oogarts werkte) te gaan wonen en voltooide hij zijn basisopleiding aan de Regent Street Polytechnic.
Na gewerkt te hebben als Londense scheepsklerk, begon Fleming in 1901 met zijn medische studie aan de St. Mary’s Hospital Medical School, gefinancierd door een beurs en een erfenis van zijn oom. Daar won hij in 1908 de gouden medaille als beste student geneeskunde aan de Universiteit van Londen. Aanvankelijk was hij van plan chirurg te worden, maar een tijdelijke betrekking in de laboratoria van de inentingsafdeling van het St. Mary’s Hospital overtuigde hem ervan dat zijn toekomst lag op het nieuwe terrein van de bacteriologie. Daar kwam hij onder de invloed van de bacterioloog en immunoloog Sir Almroth Edward Wright, wiens ideeën van vaccin therapie een revolutionaire richting in de medische behandeling leken te bieden.
Tussen 1909 en 1914 vestigde Fleming een succesvolle privé-praktijk als venereoloog, en in 1915 trouwde hij met Sarah Marion McElroy, een Ierse verpleegster. De zoon van Fleming, Robert, geboren in 1924, volgde zijn vader in de geneeskunde. Fleming was een van de eerste artsen in Groot-Brittannië die arsphenamine (Salvarsan) toediende, een medicijn dat werkzaam was tegen syfilis en dat in 1910 was ontdekt door de Duitse wetenschapper Paul Ehrlich. Tijdens de Eerste Wereldoorlog had Fleming een aanstelling bij het Royal Army Medical Corps en werkte hij als bacterioloog aan de bestudering van wondinfecties in een laboratorium dat Wright had opgezet in een militair hospitaal dat was ondergebracht in een casino in Boulogne, Frankrijk. Daar toonde hij aan dat het gebruik van sterke antiseptica op wonden meer kwaad dan goed deed en adviseerde hij de wonden gewoon schoon te houden met een milde zoutoplossing. Fleming keerde na de oorlog terug naar St. Mary’s en werd bevorderd tot assistent-directeur van de inentingsafdeling. Jaren later, in 1946, volgde hij Wright op als hoofd van de afdeling, die werd omgedoopt tot het Wright-Fleming Instituut.
In november 1921 ontdekte Fleming lysozym, een enzym dat aanwezig is in lichaamsvloeistoffen zoals speeksel en tranen en dat een mild antiseptisch effect heeft. Dat was de eerste van zijn grote ontdekkingen. Het kwam tot stand toen hij verkouden was en een druppel van zijn neusslijm op een kweekplaat met bacteriën viel. Hij realiseerde zich dat zijn slijm een effect kon hebben op de groei van bacteriën en mengde het slijm door de kweek. Enkele weken later zag hij tekenen dat de bacteriën waren opgelost. Fleming’s studie van lysozym, dat hij beschouwde als zijn beste werk als wetenschapper, was een belangrijke bijdrage tot het begrip van de wijze waarop het lichaam infecties bestrijdt. Helaas had lysozym geen effect op de meest pathogene bacteriën.