最著名的抗生素莫過于1929年由Flemming發現的青霉素（Penicillins）了。當時Flemming正在培養一種能夠引起癤和某些其他類型傳染病的細菌金黃色葡萄球菌。為了用顯微鏡檢查培養結果，他不得不把培養皿的蓋子拿掉一會兒。一天當他開始工作時，他注意到培養液被一種從空氣中落入的藍綠色霉菌所污染，在霉菌生長周圍的一定距離內，細菌群遭到破壞。進一步研究發現，長有霉菌的清液對許多病原菌都有抑制和殺死作用。這種霉菌后來被鑒定為青霉菌。由青霉菌所產生的一類抗生物質總稱為青霉素。青霉素發酵液中含有5種以上天然青霉素（如青霉素F、G、X、K、F和V等），它們的差別僅在于側鏈R基團的結構不同，其中青霉素G在醫療中用得最多，它的鈉或鉀鹽為治療革蘭氏陽性菌的首選藥物，對革蘭氏陰性菌也有強大的抑制作用。青霉素的結構通式可表示為
青霉素G的主要來源是生物合成，即發酵。化學家通過利用化學或生化合成的方法，將青霉素G的R側鏈轉變成其他基團，而得到了效果更好的類似物，如目前臨床上廣泛使用的氨芐青霉素和羥氨芐青霉素（又名阿莫西林）。藥物化學中將這種在已知藥物（先導化合物）結構基礎上設計新藥物的方法稱為結構改造。通過結構改造往往能夠得到療效更好的新藥物，因此這一方法被廣泛用于藥物設計中。像氨芐青霉素和羥氨芐青霉素這樣的抗生素是以天然抗生素為原料，經過“加工”（即化學或生化反應）而得到的，所以稱為半合成抗生素。自1959年以來，各國報道的半合成青霉素已達上千種。
青霉素在臨床上主要用于治療葡萄球菌傳染癥如腦膜炎、化膿癥、骨髓炎等，溶血性鏈球菌傳染癥如腹膜炎、產褥熱，以及肺炎、淋病、梅毒等。已有的研究認為，青霉素的抗菌作用與抑制細胞壁的合成有關。細菌的細胞壁是一層堅韌的厚膜，用以抵抗外界的壓力，維持細胞的形狀。細胞壁的里面是細胞膜，膜內裹著細胞質。細菌的細胞壁主要由多糖組成，也含有蛋白質和脂質。革蘭氏陽性菌細胞壁的組成是肽聚糖占細胞壁干重的50％～80％（革蘭氏陰性菌為1％～10％）、磷壁酸質、脂蛋白、多糖和蛋白質。其中肽聚糖是一種含有乙�；咸烟前泛投屉膯卧木W狀生物大分子，在它的生物合成中需要一種關鍵的酶即轉肽酶。青霉素作用的部位就是這個轉肽酶�，F已證明青霉素內酞胺環上的高反應性肽鍵受到轉肽酶活性部位上絲氨酸殘基的羥基的親核進攻形成了共價鍵，生成青霉噻唑�；�—酶復合物，從而不可逆的抑制了該酶的催化活性。通過抑制轉肽酶，青霉素使細胞壁的合成受到抑制，細菌的抗滲透壓能力降低，引起菌體變形，破裂而死亡。
青霉素的低毒性是由于它能夠高度特異性地抑制轉肽酶。還不知道人體內哪個酶能識別它這樣的結構。正因為這樣，青霉素并不干擾人體的酶系統。它選擇性地作用于細菌并引起溶菌作用，但幾乎不損害人和動物的細胞，所以青霉素是一類比較理想的抗生素。
青霉素的問世可謂20世紀醫學發展中的一個里程碑，使過去曾是致命的疾病得到了有效治療，拯救了數以千萬計的生命。但是隨著青霉素的大規模使用，越來越多的細菌對它產生了耐藥性（例如，青霉素G開始使用時，只有8％的葡萄球菌對它有耐藥性，到1962年，耐藥的葡萄球菌增加到70％，其他抗生素也有類似的情況），使一些傳染病又重新開始威脅人類生命。已有研究表明，一些細菌之所以對青霉素產生耐藥性，是由于它們逐漸產生了一種能迅速分解青霉素的酶——β-內酰胺酶的緣故。已有足夠的證據表明，β-內酰胺酶的基因早在使用青霉素之前已存在于細菌。目前，化學家針對該酶活性中心部位含有絲氨酸殘基的特點，設計出與青霉素分子結構相似的β-內酰胺酶抑制劑青霉烷砜。青霉烷砜與β-內酰胺酶共價結合后形成失活態，使該酶變成“死”酶。其過程可表示為
因此，將青霉烷砜與青霉素合并用藥，能增強抗菌活力。