Komórka bakteryjna pozbawiona prawidłowo działającego enzymu nie jest w stanie syntetyzować ściany bakteryjnej. Prowadzi to do upośledzenia jej zdolności życia w niekorzystnych warunkach środowiska – zwiększa się przepuszczalność ściany komórkowej. Takie uszkodzenie prowadzi po pewnym czasie do zwiększenia aktywności bakteryjnych enzymów autolitycznych, powodujących samozniszczenie bakterii.
Działanie bakteriobójcze penicylin zależy od czasu w którym stężenie antybiotyku w ognisku zakażenia jest wystarczająco wysokie, żeby wywrzeć działanie na bakterie chorobotwórcze, czyli przekracza wartość MIC wobec szczepu odpowiedzialnego za zakażenie. Spektrum działania: paciorkowce (Streptococcus pneumoniae) gronkowce – (gronkowce wrażliwe na penicylinę są zawsze wrażliwe na metycilinę) beztlenowe ziarenkowce Clostridium i Actinomyces dwoinki Gram-ujemne krętki (Treponema, Borrelia, leptospiry) Bacillus anthracis, Pasteurella gonokoki i meningokoki
w związku z tym penicyliny stosuje się w leczeniu zakażeń takich jak: zakażenia paciorkowcowe: angina, zapalenie ucha środkowego, ropnie, ropowice, posocznice zakażenia gronkowcowe: ropnie, zapalenie szpiku, posocznice rzeżączka (obecnie często występuje oporność) zapalenie pneumokokowe płuc, zapalenie meningokokowe opon mózgowych błonica tężec wąglik kiła