structuurformule van de natuurlijke Penicilline G, of benzylpenicilline

De centrale en karakteristieke ring, die bestaat uit drie koolstofatomen en een stikstofatoom, wordt de betalactamring of de kern genoemd. Het voorzetsel beta (ß) verwijst naar de positie van de aminegroep die aan de tweede koolstofatoom vanaf de carbonylgroep (C=O) verbonden is. Het stikstofatoom (N) vormt, samen met een koolstofatoom uit de lactamring, nog twee andere koolstofatomen en een zwavelatoom (S), een aansluitende 5-ring. Bij de oorspronkelijke penicillinen (Penicilline G of benzylpenicilline) zit verder aan de R-positie een fenyl (benzeenring) vast.
 
Omdat de ß-lactamring het centrale kenmerk is van alle penicillineachtige antibiotica, wordt deze groep ook "beta-lactamen" genoemd.
 
Een 4-delige ring betekent altijd een gespannen structuur en een lage stabiliteit. Hierdoor ondergaan de meeste penicillinen snel een zure (in de maag) of basische hydrolyse, waardoor de 4-ring wordt verbroken. In het verleden zijn er daarom veel varianten van penicilline samengesteld om deze kwetsbaarheid voor het maagzuur te verminderen.
 
Sommige penicillinen zijn zo veranderd dat ook ziekteverwekkende bacteriën in het lichaam ze, met behulp van enzymen (ß-lactamasen ), niet of zeer slecht kunnen afbreken. Hiertoe werden de stoffen in hun ruimtelijke opbouw zo veranderd dat binding met ß-lactamase niet meer mogelijk is. ß-lactamase-resistente penicillinen zijn Flucloxacilline, Dicloxacilline en Oxacilline.