青霉素是一种经典的β-内酰胺类抗生素，其杀菌机制主要通过抑制细菌细胞壁的合成。具体而言，青霉素与细菌细胞壁上的青霉素结合蛋白（PBPs）结合，抑制转肽酶活性，阻碍肽聚糖的交联，导致细胞壁结构缺陷。由于细菌内部渗透压较高，失去完整细胞壁的保护后，细菌会变形、肿胀，最终裂解死亡。青霉素对革兰氏阳性球菌作用强，对流脑双球菌（脑膜炎奈瑟菌）同样具有强大的杀灭作用。
青霉素肌肉注射后吸收迅速，血药浓度在30分钟内达峰；静脉注射后血浓度高峰到达更快，并可迅速分布至组织和分泌物中。然而，青霉素在脑组织、神经组织和脑脊液中的浓度较低，因为它难以透过血脑屏障。因此，对于已侵入脑膜的流脑病菌，青霉素的疗效不如磺胺类药物；但对于血流中的流脑病菌，青霉素可迅速达到高浓度并快速杀菌，优于磺胺。因此，在流脑败血症期或休克型患者中，当患者无尿时，为避免磺胺引起肾脏损害，常选用青霉素治疗。
剂量方面：小儿每日每公斤体重15万-20万单位，成人每日不少于400万-800万单位，分4-6次肌肉注射或静脉滴注。近年来，为克服青霉素难以透过血脑屏障的缺点，提出了大剂量短疗程疗法：成人每次320万单位加入10%葡萄糖液80-100毫升中，1小时内静脉滴注完毕，疗程2-3天。此方法可缩短疗程，减轻患者负担，据报道有效率可达98%。