Penicillinene tilhører gruppen betalaktamantibiotika, og alle midlene inneholder en betalaktamring. Penicillinene er baktericide mot mange ulike bakteriearter ved at de hemmer celleveggsyntesen. De diffunderer godt til de fleste vev og kroppsvæsker, men penetrerer dårlig gjennom meningene dersom disse ikke er inflammerte. Ved inflammasjon kan konsentrasjonen i cerebrospinalvæsken (CSF) øke opp til 5 % av plasmaverdien. Probenecid hemmer aktiv transport av penicilliner fra CSF til blodbanen og vil øke konsentrasjonen ytterligere. Probenecid vil også øke plasmakonsentrasjonen ved å hemme utskillelsen i nyrene. Eldre penicilliner gir liten økoskygge (se "Bivirkninger" under Om bruk av antimikrobielle midler).

Midlene utviser tidsavhengig bakteriedrap. Tilfredsstillende effekt vil som hovedregel forutsette at konsentrasjonen på infeksjonsstedet overstiger MIC (T > MIC) minst halvparten av døgnets timer. Benzyl- og fenoksymetylpenicillin påvirker villtypen av mange grampositive kokker (streptokokker, pneumokokker, stafylokokker), gramnegative kokker (meningokokker og gonokokker), grampositive stavbakterier (Listeria, difteribakterier), visse gramnegative stavbakterier samt spiroketer (Borrelia, Treponema pallidum). Innenfor mange av disse mikrobegruppene er det imidlertid utviklet betydelige resistensproblemer pga. betalaktamaseproduksjon (stafylokokker, gonokokker) eller endringer i penicillinbindende proteiner (pneumokokker, gonokokker, viridansstreptokokker). Haemophilus influenzae har utilstrekkelig følsomhet for fenoksymetylpenicillin, og stammer med betalaktamaseproduksjon og/eller kromosomale endringer er resistente mot alle aktuelle penicilliner. Pseudomonas aeruginosa og Enterobacteriaceae er alltid resistente. Blant anaerobe bakterier er de grampositive (peptokokker, peptostreptokokker, clostridier) vanligvis følsomme, mens gramnegative (Bacteroides) vanligvis er resistente pga. betalaktamaseproduksjon.

Infeksjoner forårsaket av penicillinfølsomme mikrober, hovedsakelig pneumokokker, streptokokker, betalaktamasenegative stafylokokker, Borrelia og Treponema pallidum.

Dosering av benzylpenicillin og fenoksymetylpenicillin ble tidligere angitt i internasjonale enheter (IE). En million IE tilsvarer ca. 0,6 g benzylpenicillin og ca. 0,65 g fenoksymetylpenicillin. Pga. liten toksisitet kan penicilliner doseres over et stort spekter, fra ca. 2 g daglig opp til 18 g daglig hos voksne. Penicilliner kan administreres både intravenøst og peroralt, men bør ikke gis intramuskulært da dette er smertefullt. I likhet med andre betalaktamantibiotika har penicilliner tidsavhengig baktericid virkning og forholdsvis kort halveringstid. Ved alvorlige infeksjoner er det derfor viktigere å gi hyppige doser (inntil 3 mill IE x 4–6 daglig) fremfor å øke hver enkelt dose.

Alvorlige bivirkninger (unntatt anafylaksi) sees vanligvis ved langvarig bruk og høye doser. Man må regne med full kryssallergi innenfor hele penicillingruppen og 5-7 % kryssallergi mellom penicilliner og cefalosporiner. Kryssallergi er sjeldnere mellom penicilliner og karbapenemer, og uvanlig mellom penicilliner og aztreonam . Vanlige: Ved peroral bruk, gastrointestinale symptomer som løs avføring og kvalme. Milde allergiske reaksjoner som eksantem og makulopapulære utslett som kan ha følgesymptomer som kløe og feber. Påvirkning av normalfloraen kan gi overvekst av sopp. Ved parenteral bruk, flebitt eller tromboflebitt ved intravenøs infusjon. Risikoen kan reduseres ved å senke infusjonshastigheten og bruke mer fortynnet løsning. Smerter på injeksjonsstedet ved intramuskulær injeksjon, utblanding i lidokain reduserer ubehaget (NB ikke til risikogrupper, se Lokalanestetika for lokal- og regionalanestesi). Potensielt alvorlige, men sjeldne: Hypersensitivitetsreaksjoner med alvorlige hudreaksjoner, akutt bronkial obstruksjon og anafylaktisk sjokk (se Anafylaktiske reaksjoner). Hepatocellulær skade eller intrahepatisk kolestase (spesielt betalaktamasestabile penicilliner), interstitiell nefritt, agranulocytose, levkopeni, trombocytopeni, eosinofili. Immunologisk hemolytisk anemi kan forekomme. Nevrotoksisitet med bl.a. kramper som antas å skyldes hemning av GABAerge reseptorer, spesielt ved høye konsentrasjoner gitt parenteralt. Akutt hemorragisk kolitt. Elektrolyttforstyrrelser (hypernatremi i høye doser, spesielt parenteralt, pga. høyt innhold av natrium). Økt blødningsrisiko, risikofaktorer er underernæring som gir lavt vitamin K-opptak, nyresvikt og alvorlig infeksjon.

Graviditet: Penicilliner betraktes generelt som trygge, med en viss reservasjon for nyere midler som piperacillin kombinert med betalaktamasehemmeren tazobaktam.

Amming: Anses som forenelig med amming. Se antibiotika.

Penicillinene er lite toksiske, men vær oppmerksom på penicillinallergi og kryssallergi mellom penicilliner, cefalosporiner og karbapenemer. Nedsatt nyrefunksjon øker risikoen for alvorlige, doserelaterte bivirkninger.

Kjent straksallergi mot penicilliner. En anafylaktisk straksreaksjon er livstruende. (Behandling, se Anafylaktiske reaksjoner.)

Pasienten må informeres om hva som kan anses som penicillinallergi og at pasienten i slike tilfeller ikke skal ha penicillin i fremtiden.