Có nhiều ví dụ về các loại thuốc đã được tìm ra trong thời kỳ tiền công nghiệp, chẳng hạn như morphin, cocaine và aspirin, nhưng những kết quả từ nghiên cứu của Ehrlich được xem như là sự khởi đầu cho các phương pháp nghiên cứu thuốc mới. Những phát hiện ban đầu của Ehrlich về ái lực khác nhau của các mô sinh học đối với các loại thuốc nhuộm khác nhau, chẳng hạn như đỏ Trypan, xanh Trypan và xanh metylen làm ông đặt ra giả định về tồn tại của “thụ thể hóa học” ảnh hưởng đến sự tương tác của tế bào với các hóa chất xung quanh chúng để tạo ra tác dụng sinh học. Ông còn đưa ra giả thuyết rằng “cơ quan thụ cảm hóa học” của các sinh vật lây nhiễm hoặc tế bào ung thư sẽ khác với cơ thể vật chủ và sự khác biệt đó có thể được lợi dụng để tạo ra lợi ích điều trị (thuyết “viên đạn ma thuật”). Những khái niệm này, cùng với giả thuyết của ông rằng thành phần hóa học của thuốc kiểm soát phương thức hoạt động của chúng trong một cơ thể, đã hình thành nền tảng của hóa trị liệu hiện đại. Việc điều trị thành công bước đầu cho hai bệnh nhân sốt rét bằng cách sử dụng xanh methylen đưa đến kết luận rằng thuốc nhuộm này có ái lực rõ ràng với ký sinh trùng sốt rét thế kỷ XX.

Cho đến năm 1906, vẫn chưa có mô hình động vật thử nghiệm và chủng chuột nhà, Mus musculus, được sử dụng để nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, điều này đã thay đổi vào năm 1906, với sự ra đời của chuột Wistar. Chuột Wistar là sản phẩm của nghiên cứu do Milton Greenman và Henry Donaldson đứng đầu tại Viện Wistar, cơ sở nghiên cứu y sinh độc lập đầu tiên tại Hoa Kỳ, được thành lập vào năm 1892, đánh dấu nỗ lực đầu tiên nhằm phát triển một loài động vật "thuần chủng" làm sinh vật mẫu cho nghiên cứu y học. Người ta ước tính rằng hơn 50% tất cả các chủng chuột trong phòng thí nghiệm là hậu duệ của giống ban đầu được thành lập tại Viện Wistar và nó vẫn là một trong những chủng chuột được sử dụng phổ biến nhất trong nghiên cứu Y học hiện đại. Mặc dù danh sách đầy đủ các mô hình chuột được phát triển bằng cách sử dụng chuột Wistar nằm ngoài phạm vi của bài viết này, nhưng không có gì phải nghi ngờ về tầm quan trọng của mô hình động vật này. Các mô hình chuột Wistar bao gồm chuột mắc bệnh tiểu đường tự phát, chuột giả khối u tự phát (chủng Rochester), chuột có hành vi lo lắng cao, chuột có hành vi lo lắng thấp, chuột mô hình Lobund-Wistar bị ung thư tuyến tiền liệt, chuột Wistar Kyoto (một mô hình quan trọng cần chú ý rối loạn thâm hụt), con chuột thiếu myelin, con và con chuột tăng huyết áp tự phát (SHR), con chuột được nghiên cứu rộng rãi nhất về bệnh tăng huyết áp. Chuột bị suy giảm miễn dịch, chuột thiếu lông. Sự sẵn có của loài chuột Wistar và khái niệm sử dụng các chủng động vật tiêu chuẩn hóa đã khiến các nhóm nghiên cứu khác kiểm tra các chủng động vật của họ kỹ hơn trong nỗ lực xác định các quần thể phụ hữu ích. Hàng nghìn mô hình động vật hữu ích trên một loạt các loài khác nhau đã được xác định trong khoảng thời gian sau đó, nhưng một số ít có tác động của chuột thiếu lông và chuột đa suy giảm miễn dịch. Trước sự phát triển của hai mô hình động vật này, khả năng nghiên cứu sự tiến triển của khối u ở người trên động vật bị hạn chế bởi sự đào thải qua trung gian tế bào lympho T đối với khối u ở người được cấy ghép. Sự phát triển của các mô hình suy giảm miễn dịch đã được nâng cao hơn nữa vào năm 1983 với sự ra đời của chuột đa suy giảm miễn dịch (SCID). Một đột biến lặn trên cơ thể chuột được xác định tại Trung tâm Ung thư Fox Chase, khi đồng hợp tử, dẫn đến động vật bị suy giảm trầm trọng tế bào lympho B và T. Điều này khiến chúng rất dễ mắc bệnh truyền nhiễm, bất kể bản chất của tác nhân bệnh, và tương tự như chuột thiếu lông, không thể đào thải các mô được cấy ghép. Sự ra đời của mô hình chuột SCID, và các biến thể được phát triển từ nó, đã cung cấp thêm một nền tảng cho việc nghiên cứu ung thư và bệnh truyền nhiễm mà các nghiên cứu trước đây không có. Cho đến năm 1974, khả năng phát triển các mô hình động vật thử nghiệm mới chỉ giới hạn trong việc lai tạo chọn lọc và phụ thuộc các đột biến xuất hiện ngẫu nhiên, chẳng hạn như chuột thiếu lông, để cung cấp các mô hình cải tiến cho các nghiên cứu không thể thao tác trực tiếp trên mã di truyền của động vật. Tuy nhiên, điều này đã thay đổi với sự ra đời của khoa học chuyển gen. Bước đột phá ban đầu trong lĩnh vực này là do Rudolf Jaenisch, người đã đưa thành công virus simian chuỗi DNA vào chuột. Mặc dù các gen này không được truyền sang con cái, nhưng những nỗ lực này đã đánh dấu sự chuyển giao thành công DNA ngoại lai đầu tiên vào một động vật thích hợp để nghiên cứu thuốc. Những nỗ lực tiếp theo của Frank Ruddle (Yale), Frank Constantini (Oxford) và Elizabeth Lacy (Oxford) đã chứng minh rằng việc đưa DNA ngoại lai vào tế bào phôi chuột dẫn đến sự kết hợp DNA ngoại lai và các gen mới được truyền cho các thế hệ tiếp theo. Những nỗ lực này đã đánh dấu sự khởi đầu của một kỷ nguyên mới cho cả mô hình động vật thử nghiệm và nghiên cứu thuốc. Giờ đây, người ta đã có thể thêm các gen gây bệnh vào những động vật lành. Ví dụ, mô hình chuột mắc bệnh Alzheimer được tạo ra bằng cách thêm DNA gây ra sự sản sinh các mảng Aβ42, một dấu hiệu của bệnh này, đã mang lại những nền tảng quan trọng mới cho việc nghiên cứu bệnh này. Tương tự, các mô hình về bệnh béo phì ở người đã được tạo ra trên chuột thông qua các phương pháp chuyển gen, mang lại cái nhìn rõ hơn về cơ chế của bệnh béo phì. Cơ chế bệnh sinh của các bệnh nhiễm vi rút như HIV, viêm gan siêu vi (B và C), bại liệt và bệnh sởi. Các cột mốc trong nghiên cứu thuốc sinh học phân tử có liên quan đến điều trị cũng đã được thực hiện thông qua việc tạo ra các động vật chuyển gen. Antithrombin của người, fibrinogen và các kháng thể đơn dòng đều đã được được sản xuất nhờ khoa học chuyển gen. Việc mô tả một loạt các mô hình động vật chuyển gen đã được phát triển kể từ những thí nghiệm ban đầu này nằm ngoài phạm vi của bài viết này, nhưng tác động của động vật chuyển gen là rất đáng kể. Sự ra đời của công nghệ chuyển gen trong các mô hình động vật đã mở ra cánh cửa để loại bỏ các mô hình động vật thử nghiệm cũ. Vào cuối những năm 1980, người ta đã khẳng định rõ rằng các mô hình động vật mới có thể được phát triển thông qua việc thêm và biểu hiện DNA ngoại lai trong các mô hình động vật. Bước hợp lý tiếp theo, việc triệt tiêu chức năng gen bình thường, đã được Capecchi, Evans và Smithies giải quyết vào năm 1989 khi họ giới thiệu con chuột loại trực tiếp đầu tiên.

Các mô hình động vật chuyển gen được phát triển thông qua sự kết hợp giữa tạo giống chọn lọc và thao tác di truyền. Một cấu trúc gen phù hợp để chèn vào DNA của sinh vật được đưa vào trứng đã thụ tinh. Sau đó, các phôi biến đổi được cấy vào một phụ nữ mang thai hộ và mang thai đủ tháng. Sau khi sinh, việc lập hồ sơ di truyền được sử dụng để xác định con cái mang mầm bện. Ngày nay, tiến bộ đáng kể đã đạt được trong việc điều chế các hợp chất mới thông qua tổng hợp hữu cơ tiên tiến, làm sáng tỏ cấu trúc phân tử của các chất sinh học, hiểu được sự tương tác của các tác nhân nói trên với các phân tử có liên quan đến sinh học và tăng tốc độ nghiên cứu nhờ ứng dụng công nghệ robot, tự động hóa và máy tính. Những tiến bộ trong những lĩnh vực này thường hỗ trợ cho những nghiên cứu mới. Ví dụ, sự phát triển của kiến ​​thức tinh thể học tia X đã có tác động to lớn đến khoa học mô hình phân tử và hóa học tính toán, và cả hai lĩnh vực này đều dựa chủ yếu vào những tiến bộ trong công nghệ máy tính, một lĩnh vực hoàn toàn nằm ngoài nghiên cứu thuốc, để tăng khả năng và công suất. Mặc dù không thể mô tả đầy đủ của sự phát triển các công cụ được sử dụng để hiểu cơ sở phân tử của các quá trình bệnh và tác dụng của thuốc, nhưng việc kiểm tra lịch sử của một số công nghệ chính được phát triển cho mục đích này cung cấp rất nhiều hiểu sâu hơn về cách hệ thống nghiên cứu thuốc mới phát triển trong những kỷ trước. Tìm hiểu cấu trúc phân tử của các tác nhân sinh học và các phối tử liên kết là một khía cạnh quan trọng của việc nghiên cứu thuốc mới. Tuy nhiên, vào đầu thế kỷ XX, các phương pháp phân tích hiện đại mới bắt đầu được phát triển. Lĩnh vực tinh thể học tia X vẫn còn sơ khai khi Paul Ehrlich khởi động nghiên cứu dẫn đến việc xác định Salvarsan. Trên thực tế, bản thân sự tồn tại của tia X chỉ mới được Wilhelm Conrad Röntgen phát hiện gần đây vào năm 1895, và khái niệm rằng vật liệu tinh thể có thể làm nhiễu xạ chùm tia X và kết quả là dạng tán xạ có liên quan đến cấu trúc phân tử của vật liệu. Thành công đầu tiên của công nghệ này cho một hợp chất hữu cơ đã được báo cáo vào năm 1923 bởi Raymond và Dickinson, những người đã làm xác định cấu trúc của hexamethylenetetramine, nhưng chính Dorothy Crowfoot Hodgkin mới là người đề xướng ứng dụng sinh học phân tử vào nghiên cứu thuốc. Bà là một trong những người đầu tiên nhận ra tiềm năng ứng dụng kỹ thuật tinh thể học tia X vào các hợp chất hữu cơ và phân tử sinh học. Nếu Paul Ehrlich là cha đẻ của phát minh ra thuốc, thì Dorothy Crowfoot Hodgkin là mẹ đẻ của tinh thể học protein. Thành tựu của bà bao gồm hình ảnh nhiễu xạ đầu tiên của một protein, pepsin, cũng như hình ảnh mô hình nhiễu xạ của một loạt các protein quan trọng bao gồm lactoglobulin và insulin. Năm 1969, 34 năm sau khi Hodgkin chụp những bức ảnh nhiễu xạ tia X đầu tiên về insulin và các đồng nghiệp của bà đã báo cáo cấu trúc tinh thể của insulin kẽm hình thoi 2 ở độ phân giải 2,8Å, cung cấp một mô hình nguyên tử cho protein. Trong những năm gần đây, bà đã cách mạng hóa lĩnh vực tinh thể học tia X bằng cách giải quyết nhiều cấu trúc nguyên tử của các hợp chất như cholesteryl iodide, lần đầu tiên cấu trúc hóa học tương đối của steroid, muối benzylpenicillin, xác định cấu trúc β-lactam, và vitamin B12. Năm 1964, Hodgkin nhận giải Nobel hóa học vì những đóng góp của bà trong lĩnh vực này. Công trình đáng chú ý của Dorothy Crowfoot Hodgkin và các nhà khoa học thế hệ sau của bà đã cung cấp cho giới nghiên cứu khoa học những bức tranh đầu tiên về cấu trúc của các phân tử sinh học. Hàng nghìn cấu trúc protein, cả khi có và không có phối tử đã được báo cáo, và thông tin nhúng trong các cấu trúc này đã cung cấp hiểu biết chi tiết về cách thuốc tương tác với các protein đích của chúng. Ngân hàng Dữ liệu Protein (http://www.rcsb.org/pdb/ho me / home.do), được thành lập lần đầu tiên vào năm 1971 với 7 cấu trúc, chứa hơn 82.000 cấu trúc protein tính đến năm 2012. Cấu trúc tia X axit nucleic, nhiều nhất trong đó nổi tiếng là cấu trúc DNA của Watson và Crick được giới thiệu vào năm 1953, cũng là công cụ đặc biệt có giá trị trong việc xác định tương tác ở mức độ phân tử cần thiết ở trạng thái bình thường, bệnh lý và qua trung gian thuốc. Cơ sở dữ liệu axit nucleic, một cơ sở dữ liệu công khai được thiết lập gần đây, được thành lập vào năm 1992 để cung cấp cho giới khoa học quyền truy cập vào cấu trúc ba chiều của axit nucleic và chứa hơn 6300 cấu trúc được cập nhật tính đến năm 2012. Cơ sở dữ liệu cấu trúc Cambridge, được thành lập vào năm 1965, tập trung vào các cấu trúc tinh thể phân tử nhỏ và chứa thông tin cấu trúc của gần 600.000 phân tử nhỏ tính đến năm 2012.