Alle Wirkstoffe dieser großen Gruppe haben ein chemisches Strukturelement gemeinsam. Dieses wird als Betalactamring bezeichnet und hat der Gruppe ihren Namen gegeben. Der Betalactamring blockiert die Zellwandsynthese bestimmter Erreger, hat aber im menschlichen Stoffwechsel keine Wirkung. Betalactamantibiotika sind daher wenig toxisch. Nur in extrem hohen Dosen können neurologische Nebenwirkungen (z. B. Krämpfe) auftreten. Das Risiko ist bei Niereninsuffizienz, bekannter Epilepsie und Meningitis erhöht.

Unter der Therapie mit einem Betalactam kann sich eine Sensibilisierung entwickeln. Bei der nächsten Anwendung kommt es dann zu einer allergischen Reaktion. Diese kann vom juckenden Hautausschlag bis zum anaphylaktischen Schock reichen und auch durch andere Betalactamantibiotika ausgelöst werden, die der Patient noch gar nicht bekommen hat (Kreuzallergie). Da das Sensibilisierungsrisiko bei Anwendung auf der Haut besonders groß ist, dürfen Betalactamantibiotika nicht auf der Haut angewendet werden.