开始，贝林和北里两个人不知道应该从何入手，进行破伤风和白喉的研究。因为贝林曾经尝试用化学的方法治疗白喉，但是没有成功。就在贝林一筹莫展的时候，北里想起自己多年学习中医的经历，对贝林说：“中医中有一个理论，叫做以毒攻毒，既然破伤风是因为毒素而起，那么，是不是可以尝试用它自己的毒素来治疗呢？”受到这个启发，他们两个人采集因破伤风死亡的豚鼠的血清，然后注射给正在发病的豚鼠，结果减轻了症状，并挽救了豚鼠的生命。然而，在体外培养获得的破伤风毒素，则没有这个作用。于是，他们就进行了深入的思考，终于明白，死豚鼠的血清可以治疗破伤风，并非是其中的毒素的作用，而是血清中存在某种对抗破伤风毒素的物质，即抗毒素（我们今天所说的抗体）。为此，贝林与北里共同发表了论文《关于动物白喉菌免疫以及破伤风免疫》。但是，一个星期后，贝林就以自己的名字单独发表了有关白喉菌抗毒素的论文。1891年12月的一天，贝林在法国柏里格医院首次进行了白喉抗毒素的临床治疗。自此以后，抗毒素成为了破伤风和白喉的特效治疗药物。虽然，在抗毒素的使用过程中，人们发现了一系列的超敏反应性疾病，但是，在抗生素和类毒素疫苗发明之前，抗毒素是这两种疾病治疗唯一可以信赖的药物。当然，随着医学的进步，抗毒素的副作用，尤其是血清病的问题，越来越受到人们的重视，其应用范围越来越小，最终只是限定在破伤风等12种疾病中还在使用抗毒素。

    不过，从1892年起，贝林与科赫之间出现了意见分歧，普鲁士文化部开始为贝林寻找一个大学教授的位置，以便他可以为自己申请研究经费，并在工作时有更大的自由。1894-95年的冬季学期中，贝林终于被授任为哈雷大学卫生学特聘教授，离开了科赫的实验室。1895年贝林获得了马尔堡大学卫生研究所教授和领导的职务。1901年，由于对白喉血清疗法和被动免疫研究的贡献，贝林获得了首届诺贝尔生理学或医学奖，并被封为贵族。而提出以毒攻毒的北里柴三郎却未获奖，则令许多日本人和后来的免疫学研究人员忿忿不平。