Defensine wirken in vitro in Konzentrationen von 1-100 µl/l bacterizid gegen gram-negative und gram-positive Bakterien. Der Mechanismus ist noch nicht genau bekannt, sicher ist aber, dass sich die Peptide mit ihren kationischen und lipophilen Aminosäureresten an die (negativ geladene) Zielmembran anlagern und ihre Konformation ändern. Nun vermutet man, dass sie eine Pore oder ein Loch bilden und die Membran permeabilisieren. In gram-negativen Bakterien gelangen dadurch weitere Defensinmoleküle ins Periplasma, die auch die Membranintegrität der Cytoplasmamembran stören. Eine folgende Interaktion mit bakteriellen Zellbestandteilen wie der DNA oder mit der Proteinbiosynthese wird diskutiert.

Die bakterielle Zellmembran wird dabei bevorzugt, da sie auf der Oberfläche viel mehr negative Ladungen (Phosphatgruppen der Lipopolysaccharide der Gram-negativen oder Lipoteichonsäuren der Gram-positiven) als eukaryontische Zellen trägt. In höheren Konzentrationen wirken Defensine allerdings cytotoxisch auch für die Wirtszellen.

In späteren Studien wurden nämlich auch andere Funktionen der Defensine entdeckt. Neben der direkten antimikrobiellen Wirkung spielen Defensine auch eine Rolle in Inflammation, Wundreperatur und Regulation der spezifischen Immunantwort. Werden viele Erreger an einem Ort durch Phagozytose zerstört, werden von den Neutrophilen neben Cytokinen auch größere Mengen an Defensinen freigesetzt. Dadurch wird eine lokale Entzündungsreaktion (Inflammation) ausgelöst, die weitere Immunreaktionen auslösen kann. An Mäusen konnte gezeigt werden, dass durch eine intratracheale Instillation von menschlichen α-Defensinen (in dosis- und zeitabhängiger Weise) eine akute Lungendysfunktion ausgelöst werden kann. Die Symptome ähneln denen vieler inflammatorischer Erkrankungen der Atemwege. Und wirklich sind viele Krankheiten, wie zum Beispiel Cystrische Fibrose, Asthma oder chronischer Bronchitis, mit hohen Defensinkonzentrationen in der Lunge verbunden.