青霉素类药物的主要作用机制是通过抑制细菌细胞壁合成来发挥其抗菌作用。具体来说，这类药物能够与细菌细胞膜上的青霉素结合蛋白（PBPs）结合，从而干扰了细菌细胞壁中肽聚糖的交联过程。肽聚糖是构成细菌细胞壁的重要成分，对于维持细菌细胞形态和抵抗外界渗透压具有重要作用。当青霉素类药物阻止了这一合成过程后，细菌就无法正常形成坚固的细胞壁，在生长繁殖过程中容易因自身代谢产生的压力或外部环境的压力而破裂死亡。
此外，这种作用机制对革兰氏阳性菌尤为有效，因为这类细菌的细胞壁中肽聚糖层较厚。对于部分革兰氏阴性菌，由于其外膜的存在，青霉素类药物的效果可能会受到一定限制。但是，通过与其他抗生素联合使用或开发新的衍生物，可以提高青霉素对这些病原体的作用效果。
