Les recherches de Bordet sur la destruction des bactéries et des globules rouges dans le sérum sanguin, effectuées à l'Institut Pasteur, à Paris (1894-1901), sont généralement considérées comme constituant les débuts de la sérologie. En 1895, il montra que deux facteurs existant dans le sérum sont responsables de la rupture de la paroi de la cellule bactérienne (bactériolyse) : l'un est un anticorps thermostable qu'on trouve seulement chez les animaux déjà immunisés contre la bactérie ; l'autre est un facteur thermosensible qu'on trouve chez tous les animaux. Il nomma ce dernier alexine, mais il est actuellement appelé complément. Trois ans plus tard, Bordet découvrit que les globules rouges étrangers sont aussi rompus dans le sérum sanguin. Ce processus, qu'il appela hémolyse, est analogue à la bactériolyse et nécessite également la présence du complément.
À Bruxelles, où il fonda et dirigea (1901-1940) l'institut Pasteur du Brabant, Bordet poursuivit ses recherches sur l'immunité avec Octave Gengou. Ils établirent rapidement les points suivants : 1o les bactéries sont sensibilisées par des anticorps spécifiques qui s'attachent à elles en formant des complexes antigène-anticorps ; 2o le complément se fixe seulement à ces complexes ; 3o la bactériolyse suit la fixation du complément ; 4o si des érythrocytes sont ajoutés après la bactériolyse, ils restent intacts puisque tout le complément libre dans le sérum à déjà été fixé par les complexes bactéries-anticorps. Ainsi, dans un échantillon de sérum sanguin, la présence d'une espèce particulière de bactérie pathogène peut être mise en évidence par addition à ce sérum de l'anticorps pour cette bactérie, de complément et de globules rouges étrangers ; si ces derniers restent intacts, la bactérie est présente. Cette technique (réaction de fixation du complément) permet la recherche de nombreux micro-organismes pathogènes tels que ceux de la fièvre typhoïde, de la tuberculose et surtout de la syphilis (épreuve de Bordet-Wassermann), et par suite le diagnostic des maladies infectieuses.
À la suite de ses découvertes (avec Gengou, 1906) de la bactérie responsable de la coqueluche (nommée actuellement Bordetella pertussis), Bordet devint professeur de bactériologie à l'université de Bruxelles (1907-1935), où il étudia la coagulation du sang et les bactériophages. Il reçut le prix Nobel de médecine en 1919.
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