青霉素能够通过阻止肽聚糖的合成，高效杀灭革兰氏阳性菌。
革兰氏阳性菌.革兰氏阳性菌的细胞壁结构较爲简单，强度较高，由数十层交叠的肽聚糖构成。肽聚糖中含有能增强细胞壁韧性的磷壁酸。在肽聚糖层与细胞膜之间，有一层週质空间。週质空间是胞外酶的聚集场所。部分细菌的週质空间中含有能够破坏抗生素的酶（比如青霉素酶）。
革兰氏阴性菌.革兰氏阴性菌的细胞壁结构较爲复杂，但强度较低。从外到内依次爲细菌外膜、週质空间、肽聚糖层、週质空间。细菌外膜是一层特殊的脂质双分子层。