Pada masa itu, difteri dan tetanus menjadi penyakit mematikan. Difteri menyerang anak-anak di wilayah yang kebersihannya buruk dan menyebabkan puluhan ribu kematian setiap tahun di Jerman. Sementara itu, tetanus menjadi penyebab utama kematian di medan perang akibat infeksi luka. Behring, bersama ilmuwan asal Jepang, Shibasaburo Kitasato, mengembangkan teori bahwa tubuh bisa membentuk penangkal racun atau antitoksin. Mereka melakukan percobaan pada kelinci dan tikus, membuktikan bahwa serum darah dari hewan yang sudah kebal dapat digunakan untuk menyembuhkan hewan lain yang terinfeksi.
Hasil kerja keras Behring dan Kitasato diterbitkan pada tahun 1890. Mereka mengusulkan terapi serum untuk membentuk kekebalan terhadap tetanus dan difteri. Selanjutnya, Behring bersama Erich Wernicke sukses menguji serum difteri pada marmot. Mereka kemudian berupaya mengembangkan serum untuk manusia dengan modal sendiri, sebelum akhirnya mendapat dukungan dana dari perusahaan farmasi Hoechst yang memproduksi dan mendistribusikan serum ini sejak tahun 1894.