Основные работы Ваксмана посвящены микробиологии и изучению антибиотиков. Ученый исследовал процессы распада растительных и животных тканей, природу и происхождение гумуса, почвенные и морские микроорганизмы. В 1932 Американская ассоциация по борьбе с туберкулезом поручила Ваксману провести исчерпывающие поиски продуцентов антимикробных веществ. Исследуя причину гибели туберкулезной палочки в почве, он сделал вывод, что исчезновение бацилл связано с микробным антагонизмом: одна бактерия продуцирует вещество, убивающее другую бактерию. Для подобных веществ им было предложено общее название «антибиотики». В 1943 Ваксман получил мощный антибиотик стрептомицин, синтезируемый грибами из группы актиномицетов. Он великолепно дополнял пенициллин, уничтожая те бактерии, которые еще оставались неуязвимыми. В частности, испытания, проведенные в клинике Мейо в Рочестере, показали его эффективность при терапии неизлечимых ранее форм туберкулеза. Помимо стрептомицина Ваксман выделил неомицин, кандицин и другие антибиотики.
Среди его многочисленных трудов Ферменты (Enzymes, 1926, совместно с У.Дэвисоном), Почва и микроб (The Soil and the Microbe, 1931, совместно с Р.Старки), Антагонизм микробов и антибиотические вещества (Microbial Antagonisms and Antibiotic Substances, 1945; 2-е изд. 1947) и Моя жизнь с микробами (My Life with the Microbes, 1954). Умер Ваксман в Хайаннисе (шт. Массачусетс) 16 августа 1973.

Ваксман З. Антагонизм микробов и антибиотические вещества. М., 1947
К 80-летию С.А.Ваксмана. Антибиотики, т. 13, 1968, № 7
Ланчини Д., Паренти Ф. Антибиотики. М., 1985