Разработано несколько систем классификации антибиотиков, причем за основу брались разные критерии: происхождение, антимикробные свойства, токсичность по отношению к животным, растворимость или химическая природа. Наиболее логичным представляется последний подход к классификации. Антибиотики можно, например, разделить на липоиды, пигменты, полипептиды, серусодержащие соединения, хиноны, кетоны, лактоны, нуклеозиды и гликозиды.

Некоторые антибиотики удалось синтезировать (пиоцианин, циклосерин и, что наиболее важно, пенициллин). Однако весь пенициллин G (бензилпенициллин), применявшийся в медицине до 1962, имел биологическое происхождение. Сочетание биологического и химического синтеза позволило создать большое семейство новых пенициллинов, многие из которых нашли применение в качестве лекарств.