Các  penicillin  phổ  rộng  bao  gồm  piperacillin  và  ticarcillin.  Các  mạch  nhánh  của  những chất này cho phép  các thuốc này  xâm nhập vào vi khuẩn gram âm mạnh hơn so với  các aminopenicillin. Ví dụ, mạch nhánh của piperacillin là phân cực, nó làm tăng khả năng vượt qua  kênh  porin  ở  màng  ngoài  của  một  số  vi  khuẩn  gram  âm  .  (Nhân  tiện, piperacillin được đặt tên từ  tên  mạch nhánh của nó chứa dẫn xuất piperazin). Ngoài ra, nói chung các penicilin phổ mở rộng bền hơn với sự phân hủy bởi các β lactamse tiết bởi gram âm so với  các  aminopenicillin,  mặc dù chúng vẫn  bị phân hủy với  một vài trong số những enzym này. Do đó, so sánh với các aminopenicillin, các penicillin phổ mở rộng tác dụng lên trực khuẩn  gram âm bao gồm nhiều  chủng  P.  aeruginosa. Chúng  giữ nguyên hoạt tính phổ trên  một vài gram dương tương tự các  penicilin tự nhiên,  nhưng giống như các penicillin tự nhiên,  nhóm này bị phân hủy bởi các  β  -lactamase  do tụ cầu tiết. Chúng có phổ hoạt động khá hẹp tác dụng lên vi khuẩn kỵ khí . Piperacillin có phổ hoạt động rộng hơn là ticarcillin

Phổ kháng khuẩn tuy rộng nhưng vẫn chịu ảnh hưởng của các vi khuẩn sinh beta-lactamase, làm phá vỡ vòng beta lactam dẫn tới mất hoạt tính

Vì điều này nên khi sử dụng để tăng phổ kháng khuẩn của nhóm này người ta thường phối hợp với các chất ức chế beta lactamase: