1944年，傅莱从晋察冀被调到位于延安的中国医科大学开展教学和医疗工作，任陕甘宁边区中西药研究会顾问、八路军陕甘宁晋绥联防军卫生部医药卫生委员会委员。1944年冬，他以中国救济总会（United China Relief, UCR）晋察冀代表的身份，通过宋庆龄和美军驻延安观察团，请美国援华会（CAC）帮助，向英美有关部门获取青霉菌菌种和相关资料。傅莱连续三年申请加入中国共产党，1944年经聂荣臻介绍、彭真代表中共中央组织部批准，傅莱在延安加入了中国共产党，1945年旁听了中国共产党第七次全国代表大会。1945年初傅莱利用美国援华会捐赠的菌种，经陕甘宁边区政府批准，傅莱带领两位助手在延安城东柳树店中国医科大学内，自己动手建起生化研究室（土法生产粗制青霉素的小作坊）开始研制实验。没有培养细菌的恒温设备，傅莱就用一个土屋当实验室，在里面垒炕烧火，以保持恒温；没有功能齐全的不锈钢发酵罐，就用大小不一的小口玻璃瓶代替；没有搅拌器和摇床，就定时进入恒温培养间，抱着发酵瓶振摇；没有空气压缩机，就用打气筒人工打气；没有空气过滤器，就用打气筒把空气先通过一个装有无菌棉花和滤布的小管，除菌后再通入发酵罐底部，来保证培养液中有足够的溶解氧，经过50多次试验培养出第一批粗制青霉素。1945年5月17日《解放日报》刊发报道，题为《留延国际友人傅莱医生试制青霉菌素成功》。