ペニシリン類の構造は、β-ラクタム環の存在によって特徴づけられる。 ペニシリン類の基本構造はすべて、親核（6-アミノペニシラン酸、6-APA）と側鎖（CO-R）を含んでいる。 親核はチアゾール環とβ-ラクタム環から合成される主要な抗菌成分であり、β-ラクタム環が破壊されると抗菌活性は消失する。 一方、側鎖は主に抗菌スペクトル、耐酸性の有無、酵素耐性の有無、その他の薬理学的性質に関係する。 ペニシリンのうち、天然ペニシリンであるペニシリンG以外は半合成ペニシリンである。 ペニシリンGの側鎖はベンジルであり、アンピシリンなどの他のペニシリン系抗生物質は、ペニシリンのベンジル基上の水素をアミノ基で置換することによって得られる。 アモキシシリン（ヒドロキシアミノペニシリン）はパラヒドロキシアミノペニシリンである。 ペニシリンの使用は、医療専門家の監督下で行うべきである。