В войсках Беринг служил военным врачом и в звании капитана был принят ассистентом профессора Роберта Коха.
Там уже работал Пауль Эрлих и вместе они составили блестящую научную команду и все трое впоследствии стали Нобелевскими лауреатами. А пока были исследования и эксперименты, надежды и разочарования, поиск новых путей и методов и, наконец, получение выдающихся результатов.
В 1889 году Беринг демобилизуется и продолжает работу в институте как исследователь с полным рабочим днем.
Кох направил личное приглашение военврачу, прочитав его публикации по дифтерии и применению сывороток от бешенства в войсках. Удостоиться такой чести было дано единицам.
В это время исследования Беринга были сконцентрированы на изучении столбняка и дифтерии, двух различных заболеваний, которых объединяло одно характерное свойство: оба заболевания заканчивались смертельным исходом.
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.