氯霉素具有广谱抗菌作用。在需氧革兰氏阳性细菌中，对草绿色链球菌、白喉杆菌、炭疽杆菌、金黄色葡萄球菌、溶血性链球菌、肺炎链球菌等均敏感，对D组链球菌则相对不敏感；在需氧革兰氏阴性菌中，对流感杆菌、志贺氏菌属、百日咳杆菌、淋球菌及脑膜炎球菌均有良好抗菌作用，对沙门氏菌属、大肠杆菌属、奇异变形杆菌、霍乱弧菌等亦敏感，而对粘质塞拉蒂（原译沙雷）氏菌、肠杆菌属、克雷伯氏肺炎杆菌则不甚敏感。许多厌氧菌包括消化球菌、消化链球菌、产气荚膜杆菌、梭形杆菌属、脆弱拟杆菌等均能被其抑制。此外，对大部分立克次氏体、衣原体和菌质体均有效，但对绿脓杆菌、吲哚阳性变形杆菌、结核菌、真菌、病毒及原虫则均无抑制作用。氯霉素经过长期临床应用，各类细菌可不同程度地对其产生耐药性，但是耐药的程度则是因地因时而异。耐药性产生的主要机理是菌体内带有耐药遗传基因的质粒介导产生了氯霉素乙酰转换酶，使氯霉素中丙二醇基因的3-羟位乙酰化，氯霉素因此不能与细菌核糖体的 50S亚基结合而失去活性。这种耐药遗传基因还可通过结合或移位等方式传递给同属或不同属的敏感菌使其变为耐药菌，不过，已获得耐药性的菌株，在停用药物一段时间后，其耐药性可以消失而重新变为敏感菌。
