Mechanizm działania thumb| (hodowla na szalce Petriego; wokół płatków nasączonych testowanymi antybiotykami obszary bez wzrostu bakterii) Działanie antybiotyków polega na powodowaniu śmierci komórki bakteryjnej (działanie bakteriobójcze) lub wpływaniu w taki sposób na jej metabolizm, aby ograniczyć jej możliwości rozmnażania się (działanie bakteriostatyczne), a bakterie niszczone są przez mechanizmy obronne chorego.
Leczenie chorób zakaźnych polega na zabiciu mikroorganizmów wywołujących chorobę. Trudność terapii, z którą borykali się lekarze przed erą antybiotyków polegała na tym, żeby znaleźć środek jednocześnie zabójczy dla chorobotwórczych bakterii i bezpieczny dla gospodarza.
Antybiotyki zazwyczaj zakłócają procesy metaboliczne mikroorganizmów. Penicylina działa poprzez uszkadzanie ściany komórkowej i ostatecznie niszczy bakterie. Podstawą terapii antybiotykami jest zasada selektywnej toksyczności Ehrlicha, zgodnie z którą antybiotykiem jest substancja, która w organizmie, w stężeniu niewykazującym większej toksyczności dla ludzi i zwierząt wyższych, powoduje uszkodzenie lub śmierć mikroorganizmów.