В 1890 году в Институте гигиены Беринг совместно с японским ученым Шибасабуро Китасато установил, что иммунитет кроликов и мышей, которые были иммунизированы против столбняка, зависит, как считал Беринг, «от способности бесклеточной жидкости крови оставаться интактной по отношению к токсическому веществу, вырабатываемому бактериями столбняка». Применив это открытие к дифтерии, он продемонстрировал, что неиммунизированные животные могут быть защищены от токсина дифтеритных бактерий с помощью инъекций антитоксина иммунизированных животных. Беринг заявлял, что с появлением предложенной им сывороточной терапии «возможность излечения тяжело протекающих болезней не может уже более отрицаться».
В этом же 1890 году он совместно с Сибасабуро Китасато показал, что в крови переболевших дифтерией или столбняком образуются антитоксины, которые обеспечивают иммунитет к этим болезням как самим переболевшим, так и тем, кому такая кровь будет перелита. В том же году на основе этих открытий был разработан метод лечения кровяной сывороткой.
В рождественскую ночь 1891 года умирающие от дифтерии берлинские дети получили первые уколы новой сыворотки Беринга. Многие из них были спасены, но все же успех был лишь частичным, и сыворотка Беринга не стала надежным средством, спасавшим всех детей.
Несмотря на возможность успешного применения дифтерийного антитоксина при лечении детей, прежде считавшихся смертельно больными (за что Беринга стали называть «исцелителем детей»), серьезная проблема использования антитоксина продолжала существовать и ее никак не удавалось быстро решить: антитоксин вызывал пассивный иммунитет (антитела, содержащиеся в сыворотке, образовывались клетками животных, а не самого пациента). В результате антитоксин обеспечивал иммунитет только на короткое время и должен был вводиться как можно скорее после инфицирования. К тому времени, когда появлялись симптомы дифтерии, часто было уже слишком поздно лечить антитоксином, и это приводило к смерти пациента. На помощь Берингу пришёл его коллега и друг, Пауль Эрлих. Благодаря своим открытиям в иммунологии Эрлих сумел усовершенствовать противодифтерийную сыворотку Беринга, рассчитать правильную дозировку антитоксина и получить высококонцентрированные и очищенные сыворотки, ставшие надежными в клиническом применении.
В 1894 году Беринг оставляет Институт гигиены и переходит сначала в университет Галле, а в следующем году – в Марбургский университет.
Преподавание ему давалось с трудом, и в 1895 году Беринг основал свой институт экспериментальной терапии в Марбурге, которым руководил до конца жизни. Впоследствии, в 1914 году при институте Беринга он основал коммерческую фирму по производству противостолбнячной и противодифтерийной вакцины и это сделало его финансово процветающим человеком. Он приобрел большое поместье в Марбурге.
За спасение детей Берингу в 1901 году была присуждена первая Нобелевская премия по физиологии и медицине «за работу по сывороточной терапии, главным образом за её применение при лечении дифтерии, что открыло новые пути в медицинской науке и дало в руки врачей победоносное оружие против болезни и смерти».
Беринг настойчиво продолжал свои исследования дифтерии, пока в 1913 году не создал вакцину, обеспечивающую продолжительный акт.
К тому времени, когда Беринг получил Нобелевскую премию, он перешел к изучению туберкулеза. На тот момент туберкулез являлся одной из семи наиболее распространенных болезней, приводивших к смертельному исходу, и поэтому многие бактериологи, включая Роберта Коха, пытались получить вакцину для лечения этого заболевания. В течение нескольких лет Беринг пытался создать туберкулезный антитоксин, но потерпел неудачу. Значительная часть его исследований была посвящена изучению взаимосвязи между туберкулезом человека и крупного рогатого скота. Он считал, что оба эти заболевания идентичны, и такая точка зрения привела его к конфликту с Кохом. Хотя сегодня туберкулез человека и туберкулез крупного рогатого скота не считаются одинаковыми заболеваниями, тем не менее, отмечается передача возбудителя туберкулеза от животных человеку. Поэтому рекомендации Беринга по снижению заболеваемости животных и по дезинфекции молока остаются важными для здравоохранения.
Если его исследования дифтерии привели к Нобелевской премии, то созданная им противостолбнячная вакцина в ходе Первой мировой войны помогла сохранить жизнь многим немецким солдатам, и за это он был награжден правительством Германии Железным крестом – редкой наградой для человека, не участвовавшего в боевых операциях.
Наиболее важные исследования Эмиля Беринга были связаны с эпохальными работами Луи Пастера, Пауля Эрлиха и других выдающихся ученых, которые привели к возникновению и развитию современных знаний по иммунологии.
Сам Беринг считал, что его участие в изготовлении противодифтеритной и противостолбнячной вакцин вершиной своей научной деятельности, ибо это позволило в значительной степени избавить человечество от страшных эпидемических заболеваний.