青霉素类抗生素是6-氨基青霉烷酸的衍生物，由一个ß-内酰胺环与一个噻唑烷环及一条侧链相连组成。其核心结构由两种氨基酸 (L-半胱氨酸和D-缬氨酸) 缩合而成。青霉素的作用机制是通过ß-内酰胺环相关的活性来抑制蛋白质合成。

青霉素的抗菌谱取决于各个类似物的侧链。ß-内酰胺可通过与青霉素结合蛋白 (PBP) 结合，阻断转肽作用。这些抗生素是PBP底物D-丙氨酰-D-丙氨酸的类似物，该底物的化学键通常会在转肽过程中断裂，形成甘氨酸交联桥。而这种类似物能够与PBP竞争性结合，从而导致交联桥无法形成，干扰细胞壁合成并最终破坏细胞壁。

青霉素对已合成的细胞壁无效，仅作用于新细胞壁的合成，因此只对繁殖期的细胞具有杀菌作用。

青霉素是一种窄谱抗生素，作用于革兰氏阳性菌。其活性来源于ß-内酰胺环，因此金黄色葡萄球菌可通过ß-内酰胺酶裂解ß-内酰胺环获得耐药性。青霉素的类似物包括青霉素G(苄青霉素)、氨苄西林、羧苄西林和阿莫西林。