头孢菌素和非典型β-内酰胺类抗生素虽然都属于β-内酰胺类抗生素，但它们在作用机制上存在一些差异。

首先，从化学结构上看，头孢菌素是一类含有7-氨基头孢烷酸（7-ACA）核心结构的β-内酰胺类化合物。而所谓的非典型β-内酰胺类通常指的是碳青霉烯类、单环β-内酰胺类等，它们具有不同于传统β-内酰胺抗生素的独特化学骨架。

在作用机制方面，头孢菌素主要通过与细菌细胞膜上的青霉素结合蛋白（PBPs）结合，干扰细菌细胞壁合成过程中的转肽反应，导致细菌细胞壁变得脆弱而最终破裂死亡。不同代别的头孢菌素对各种PBPs的亲和力有所差异，这使得它们在抗菌谱上表现出不同的特点。

相比之下，非典型β-内酰胺类如碳青霉烯类不仅能够与多种PBPs高效结合，而且其分子结构中还含有额外的功能基团，可以更好地抵御某些细菌产生的β-内酰胺酶的水解作用。因此，这类药物具有更广泛的抗菌活性和更强的抗耐药性能力。

单环β-内酰胺类如阿佐洛巴坦，则是通过特定的方式与PBPs结合，并且对一些产生超广谱β-内酰胺酶（ESBLs）或AmpC酶的细菌仍然有效，显示出独特的抗菌效果。

综上所述，尽管头孢菌素和非典型β-内酰胺类都属于β-内酰胺家族，但它们在化学结构、作用机制以及对抗特定类型耐药菌株的有效性等方面存在明显差异。