เพนิซิลินออกฤทธิ์โดยการขัดขวางการสร้างผนังเซลล์ของแบคทีเรียโดยเฉพาะแบคทีเรียแกรมบวก โดยการยับยั้งการสร้างครอสลิงก์ (crosslink) ระหว่างสายของเปบทิโดไกลแคน (peptidoglycan) ทำให้ผนังเซลล์แบคทีเรียอ่อนแอและถูกทำลาย

ปัจจุบันนี้พบการดื้อยาของแบคทีเรียที่มีต่อยาเพนิซิลิน ผ่านกลไกที่ตัวของแบคทีเรียสร้างสารเคมีมาทำลายส่วนประกอบของยา ทำให้ยาไม่สามารถออกฤทธิ์ได้ เช่น เอนไซม์บีตา-แลคแทมเมส (β-lactamase) ที่แบคทีเรียบางชนิดสร้างขึ้นจะไปตัดวงบีตาแลคแทมในโมเลกุลของเพนิซิลินหรือยากลุ่มบีตาแลคแทมอื่น ๆ ได้ จึงต้องใช้ยาอื่นในการรักษาแบคทีเรียที่ดื้อต่อยาเหล่านี้

• อาหารมีผลต่อการออกฤทธิ์ยาเพนิซิลินหรือไม่ยากลุ่มนี้ไม่ค่อยทนต่อกรดการใช้ยากลุ่มนี้ควรเลือกรับประทาน 1-2 สองชั่วโมง ก่อนหรือหลังอาหาร เนื่องจากตอนที่ทานอาหารจะมีหลั่งน้ำย่อยซึ่งเป็นกรดออกมาจึงเกิดการทำลายยาได้

• เพนิซิลินถูกกำจัดออกจากร่างกายอย่างไรยากลุ่มนี้ส่วนใหญ่จะถูกกำจัดออกมากับปัสสาวะในรูปที่ไม่เปลี่ยนแปลงดังนั้นผู่ป่วยโรคไตควรระวังการใช้ยากลุ่มนี้เนื่องจากอาจทำให้ยาอยู่ในร่างกายนานเกินไปทำให้เกิดผลข้างเคียงหรือพิษจากยา ได้ แต่มียาบางตัวที่ผ่านตับและถูกเปลี่ยนให้หมดฤทธิ์แล้วถูกกำจัดออกมาทางน้ำมี เช่น นาฟซิลิน (nafcillin) , แอมพิซิลิน (ampicillin) เป็นต้น