兽用头孢类抗生素多是半合成类β-内酰胺类药物，通常口服很难吸收，所以基本都是注射使用给药才能有效。这类抗生素的分子结构中，一般都有头孢烯的特殊结构，所以统称为头孢类药物。
又因为它们是青霉素类抗生素分子里的7-氨基头孢烷酸的衍生物，所以大类来说，青霉素类抗生素和其进化品类“头孢类抗生素”，又都属于β-内酰胺类抗生素。虽然头孢类抗生素与青霉素类抗生素都属β -内酰胺类抗生素，但是，不同的是：头孢类抗生素的母核是7-氨基头孢烷酸，而青霉素类抗生素的母核则是6-氨基青霉烷酸，它们之间这一结构上的差异，便使得头孢类抗生素可以耐受青霉素酶，即对青霉素酶耐药的细菌，头孢类抗生素仍然呈现强大的杀菌作用。
当然，头孢类抗生素的这种衍变，使得它们与青霉素类抗生素具有相似的抗菌机制。都是作用靶位在细菌的细胞壁，抑制、破坏细菌细胞壁的合成，造成细菌细胞裂解而致细菌细胞壁“漏洞百出”，致使细胞内重要生命物质外泄而致细菌死亡。并且，头孢类抗生素对正处于繁殖期的细菌，作用最强。由于哺乳动物的细胞没有细胞壁，头孢类抗生素对畜禽体细胞来说，几乎没有任何危害，所以畜禽使用是非常安全的，它们又是最安全的抗菌素之一。
青霉素类抗生素改造为半合成头孢类抗生素，通常改造的部位有以下四个，如下图所示：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ取代基。实际药物研发过程中，通过对上述四个部位结构的改造、结构的修饰，最终达到改进上一代或上一种抗生素的性能，如拓展了抗菌作用谱，提高了药物的吸收与生物利用度，增强了抗菌的活性，，降低了药物的毒副作用，提高了抗菌的敏感率，优化了药物的体内代动力学性质，提高了药物的稳定性等。如今，针对头孢类抗生素的结构改造已经取得一系列科技成果，总结出构效关系如下。
首先是对Ⅰ部位改造的构效关系
Ⅰ部位是7位取代的酰胺侧链，是抗菌谱的决定基团。依据改造青霉素的经验，把半合成青霉素6位上可扩大抗菌谱的取代基引入，同时在3位上搭配取代基进行优化组合，可扩大抗菌谱并提高抗菌活性,增加对β-内酰胺酶的稳定性。7-位引入亲酯性基团，如苯环、噻吩、含N杂环，并在3位引入杂环可扩大抗菌谱增强抗菌活性。
其次是对Ⅱ部位改造的构效关系
Ⅱ部位是7α-H，7位引入α-甲氧基的衍生物称为头霉素类，由于甲氧基的空间位阻作用，阻止酶分子与内酰胺环接近，增加了药物对β-内酰胺酶的稳定性，并提高对厌氧菌的活性。
再次是对Ⅲ部位改造的构效关系
Ⅲ部位，是环中5位的S原子，影响抗菌效力。S用生物电子等排体—CH2—，—O—替代时，构成碳头孢烯和氧头孢菌素。氧头孢烯生物活性较头孢烯有所提高，但这类药物对产β-内酰胺酶的稳定性差，易被青霉素酶水解。
最后是对Ⅳ部位改造的构效关系
Ⅳ部位是3位取代基，既能提高抗菌作用和拓宽抗菌谱，又能影响药效学和药物代谢动力学的性质。近几十年来，人们对头孢菌素C-3位进行了各种改造,实现了C-3位的功能化,合成了许多具有生理活性和临床有效的药物。
3位用—CH3，－Cl，或含氮杂环取代可以改进口服，第四代头孢类抗生素——头孢喹肟的特点，就是3位带有正电荷的季铵，它相比头孢噻呋来说，大大增强的对细菌细胞膜的穿透力，即头孢喹肟比头孢噻呋对病原菌的抗菌大幅增强；并且头孢喹肟比头孢噻呋对对?内酰胺酶亲和力极低，即头孢喹肟相比头孢噻呋具有很高的敏感率（对头孢噻呋耐药的病原菌，对头孢喹肟仍然高度敏感）。