根据与β-内酰胺环所联结的杂环的化学结构，β-内酰胺类抗生素可分为青霉素类、头孢菌素类及非典型β-内酰胺类。非典型β-内酰胺类抗生素主要有碳青霉烯类、青霉烯类（Pen-em）、氧青霉烷和单环β-内酰胺。

青霉素于1929年被英国细菌学家A.弗莱明（Alexander Fleming，1881～1955）发现，1939年经科学家进一步研究制备成制剂应用于临床。1945年，经过多年研究，从产品降解、化学分析、产品X射线衍射、结晶学等方面确认，青霉素中含有β-内酰胺环并噻唑环结构，由此人们开始展开进一步研究β-内酰胺类抗生素的工作。1945年，意大利细菌学家G.布罗楚（Giuseppe Brotzu，1895～1976）将其从撒丁海岸阴沟出口处的一株头孢子菌上分离，它能产生多种成分的抗生素。1955年，研究人员从中分离得到了头孢菌素C，发现其抗菌作用不强，但毒性远低于青霉素，对酸稳定，而且不被蜡样芽孢杆菌与金黄葡萄球菌的青霉素酶水解。1961年，经深入研究确认了其化学结构，母核为7-氨基头孢烯酸（7-ACA），是β-内酰胺环并双氢噻嗪环。英国葛兰素史克公司首先从头孢菌素C经化学裂解得到了7-ACA，为半合成头孢菌素类抗生素提供了稳定的中间体，在半合成青霉素的启发下，人们的研究主要以7-ACA为母核，并对其结构进行化学修饰，以期发现疗效更好的抗生素。

β-内酰胺类抗生素具有很强的抗菌活性，这与它们的作用机制有关。β-内酰胺类抗生素可以通过抑制D-丙氨酰-D-丙氨酸转肽酶来抑制细菌细胞壁的合成。黏肽是细菌细胞壁的主要成分，是细胞壁结构中最硬的坚韧层，作用在于维持细胞的外形和坚韧性。黏肽是一些具有网状结构的含糖多肽，组成成分是N-乙酰粘质酸、N-乙酰基葡萄糖和多肽。黏肽中组成肽链的氨基酸和交联（桥式连接）的方式随细菌种属而异。青霉素和头孢菌素C抑制黏肽。

1990年起，各国首次应用的β-内酰胺类抗生素共18种，其中有头孢菌素14种，碳青霉烯2种，青霉烯1种，在头孢菌素类抗生素方面的研究方向主要是提高抗G+性菌、绿脓杆菌与厌氧菌活性，寻找新一代头孢菌素。对G+与G-菌都有良好活性的新头孢菌素有头孢丽丁，抗绿脓杆菌活性比头孢他啶强4倍，对其他G+与G-菌活性与头孢他啶相似，还有若干在3位上带有季铵盐部分结构的头孢菌素，如头孢露棱。碳青霉烯的研究方向是在保持对DHP-1稳定的基础上，增强抗绿脓杆菌活性。DX-8739、BO-2502抗绿脓杆菌作用比亚胺培南强4～6倍，S-4661对亚胺培南、美洛培南无亲和力的PBP-2'有一定亲和力，在绿脓杆菌感染实验模型上的效果优于后二者。在青霉烯类抗生素方面的研究是向青霉素骨架中引入双键，增大β-内酰胺环的反应性，以提高抗菌活性的设想，设计了青霉烯。1976年发现碳青霉烯甲砜霉素之后，受其构效关系研究的启迪，以反式羟乙基代替6-酰氨基，既保持了青霉烯酰胺环的反应性，又改善了稳定性，从而建立了青霉烯类抗生素的基础。