Penicyliny hamują syntezę ściany komórkowej, przez co bakterie nie mogą naprawiać uszkodzeń w niej powstałych. Powstałe uszkodzenia prowadzą po pewnym czasie do zniszczenia bakterii. Bakterie Gram-ujemne posiadają dodatkową, zewnętrzną błonę lipidową, dlatego są bardziej odporne na działanie penicylin. Bakterie G+ takiej dodatkowej ochrony nie mają.
Ściana komórkowa bakterii G- jest cienka i otoczona na zewnątrz dodatkową błoną zewnętrzną, w odróżnieniu od bakterii gram dodatnich, których ściana komórkowa zbudowana jest z wielu warstw peptydoglikanu i nie jest otoczona dodatkową błoną.