人类对于药物的认识起源很早，可能动物就有寻找药物的迹象。但是，药物作用的现代科学研究不出三百年，事实上大部分主要在二十世纪，虽然十九世纪后期也有一些。药物的科学研究与人类对于化学的认识和生理学的理解密切相关。化学分析和化学合成困难的时代，难以分析和产生新的药物。生理学基础缺乏的时代，难以合理药物设计。
一百年前，德国科学家厄立希建立了现代药物发现和研究的第一个范式。今天仍然被普遍应用。
目前认为苏格兰出生的海军军医James Lind首创了严格检验药物作用的记录。长期出海的人会出现坏血病，有人认为桔子或柠檬有治疗作用。1747年，Lind在Salisbury号英国军舰上用12位水手进行了对照试验，每组两人，第五组用桔子和柠檬，结果显示第五组有效。Lind不是提出坏血病治疗方法的第一人，但他是第一位进行药物效果对照试验者。
1799年，德国科学家Adolph Friedrich Nolde提出验证药物疗效需要动物和人体试验，要有正常人也要有病人，而且需要避免病人知道用药情况而有偏见。德国化学家Friedrich Gren于1791年提出药物学和药理学的区别：描述和收集药物为药物学，研究药物作用的科学为药理学。德国医生Johann Christian Reil于1799年发表《未来药理学原则》一文，列出8项原则。
法兰西学院生理学家François Magendie从1831年起先在动物做药物实验，按动物得到能够预计效果之后再在人身上做试验，以生理学途径建立了实验药理学。他的学生Claude Bernard对美洲筒箭毒作用和一氧化碳结合血红蛋白的研究也同样从生理途径研究药理学。这样不仅研究药物作用机理，也推动生理学原理研究。
德国科学家Rudolf Buchheim在药物学的基础上，建立了实验室，1865年正式命名为药理学研究所为世界上第一次独立的药理学研究所，他培养了九十多个学生。他的学生Oswald Schmiedeberg培养了来自二十多个国家一百二十多位学生，让药理学传遍世界。
他的美国学生John Jacob Abel留学德国7年，1891年成为美国第一位药理学教授、1893年成为美国第一位药理系主任，创办了《生物化学杂志》和《药理学与实验治疗学杂志》。
Schmiedeberg的学生Hans Horst Meyer最著名的工作是提出全身麻醉药的药效与其脂溶性相关，可能是因为全麻药融在细胞脂膜而干扰神经细胞的功能。
犹太裔德国科学家Paul Ehrlich推动药理学的实验治疗学发展，催生了“化学治疗”。厄立希中学开始对科学感兴趣，特别是化学。他在医学院期间，研究了多种染料对组织、细胞的染色。23岁时，厄立希发表第一篇论文“苯胺染料及其显微技术中应用的知识贡献”。24岁时发表医学博士论文题为“组织染色的理论与实践贡献”，认为染色是化学反应、不是物理吸附，染色的特异性与染料的化学结构有关。
医学院毕业后后厄立希到柏林的Charité医院工作十年，在血液学方面做出重要发现。厄立希研究了机体对氧的需求，提出氧化还原与染色的关系。他的论文预示他今后的“侧链学说”：在活的原生质中，特异的结构有（化学）核负责细胞特异的功能，核外结合侧链，其原子和原子复合体仅仅起着对细胞辅助的重要性，但一般对关键活性不重要。
1882年，Koch发现结核杆菌后，厄立希访问了Koch的实验室，发明了结核杆菌的染色方法。
1885年厄立希在Charité医院的科室负责人去世，换了领导后，厄立希与其关系很不好。厄立希也患了结核，1888年病假后未回Charité医院。痊愈后，他在岳父资助下，自己开实验室，研究过可卡因，也研究了植物毒素。1890年秋，Koch已因为发现炭疽杆菌和结核杆菌而成为微生物学权威。
他邀厄立希到其柏林的Moabit市立医院任职。Koch建立“传染病研究所”。1890年，研究所的Emil von Behring和北里柴三郎在抗体研究突破之后，厄立希也在抗体研究有重要贡献。1896年厄立希得到支持建立“血清研究和检验研究所”，1899年，厄立希的研究所搬到法兰克福，改名为实验治疗研究所。研究所也支持和培养了英国药理学家Henry Dale等重要科学家。
厄立希对现代药物治疗学的作用，不亚于他对免疫学的作用。在理论上，他与“受体”概念的发展有关。在实践上，他提出可以筛选类似的化学分子，从中找到只杀感染病菌、而不影响人的药物，开创了化学治疗：经典的化学治疗是用合成的化学分子直接作用于感染的病原菌。厄立希在组织学、免疫学和药理学等多方面做出了重要的贡献。他的化疗工作与另两方面有联系。
他首先集中精力的第一个领域是染色，组织染色这是他发现一些细胞的基础，但他也研究过结合病原菌的染料，他认为分子结合是治疗的必要基础。他的第二个领域是免疫，而研究过程中对于受体的概念和治疗的经验，也为他第三个领域化学治疗打下了伏笔。筛选化学分子的方法成为现代药物工业的基础。
厄立希的表哥Carl Weigert是第一位用染料染细菌的科学家。这是厄立希从染料角度开始研究药物的缘由之一。
与染料一样，药物作用需要直接接触的概念在厄立希之前已经知道。1881年，厄立希发现亚甲蓝可以染细菌。1884年丹麦科学家Christian Gram发明了对细菌分类迄今仍非常有用的革兰氏染色法。1885年，厄立希发现亚甲蓝注射到活体动物后染色神经系统。1890年，他和Arthur Leppman用亚甲蓝治疗神经和风湿病。
1891年，Paul Guttmann和厄立希认为：亚甲蓝在体外可染导致疟疾的疟原虫，而亚甲蓝注射入体内可以进到红细胞，那么就有理由用亚甲蓝治疗疟疾。因此他们试了给两位病人注射亚甲蓝，都起了一定作用。不过其作用不如当时已经有的奎宁，所以没有推广，但给Ehrlich以后做化学治疗打下了基础。
1902年，厄立希和日本来的志贺洁系统地筛选了几百种合成化合物对动物感染的治疗作用。
1904年，他们发现锥虫红可以治疗锥虫感染，但锥虫会出现抗药性。药物构效关系的研究由德国和英国科学家所开创。1859年，德国化学家Carl Stahlschmidt发现士的宁分子甲基化后，不再引起肌肉强直，而如筒箭毒的毒性。英国爱丁堡大学的有机化学家Alexander Crum Brown和Thomas Fraser在此基础上合成一系列化合物，发现化学结构与生物学活性的关系。
厄立希是第一位利用已知的药效关系，而发明药物筛选方法的科学家。
厄立希的方法分两步：首先找到一个有治疗作用的化学分子（现在称为先导化合物），第二步是对它进行化学修饰和改造，获得一大批衍生分子，通过筛选找到作用最佳、副作用最弱的分子。厄立希的方法迄今仍然广泛使用。导致非洲昏睡病的锥虫，是厄立希首创方法的应用领域。当时找到三类治疗锥虫病的分子：二苯甲胺类染料、联苯胺、砷剂。
应用砷剂治疗锥虫病是发现疟原虫导致疟疾的法国医生Alphonse Laveran。他也发现非洲嗜睡病的病因是锥虫。1903年，他发现砷剂对锥虫病有作用，但在体内效果不佳，可与锥虫红联合用药。
1905年，在英国利物浦热带医学院工作的加拿大医生Harold Thomas与同事Anton Breinl发现含砷的化合物atoxyl在动物实验中对锥虫病有作用。
1903年，厄立希和志贺洁也曾试过atoxyl，但在试管中没有观察到其对锥虫的作用，因而放弃了。在得知英国的结果后，厄立希决定寻找相关的新分子，试图得到治疗作用更好、毒性更低的药物。Atoxyl是由当时在法国Montpellier大学工作的Antoine Béchamp所合成的，他认为其化学结构是砷酸和苯胺的酰胺。厄立希与Alfred Bertheim发现atoxyl其实是对氨基苯砷酸。
虽然是同分异构体，这两种结构有相当大的差别。
在理解了atoxyl的正确结构后，厄立希和Bertheim进行了结构修饰，制造了一大批化合物。因为氨基在苯环对面位置，所以很容易修饰。例如，在氨基上加乙酰得到arsacetin得到306分子，其治疗作用提高，在小鼠可达百分之百，但有其他毒性。他们还合成了其他分子，并检测了其对锥虫病的治疗作用，有些如408作用提高、副作用减少。
1905年，德国动物学家Fritz Schaudinn和医生Erich Hoffmann发现梅毒的致病原因是梅毒钩端螺旋体，Hoffmann建议厄立希试用砷剂治疗梅毒。
厄立希忙于锥虫病，在1907和1909年没进行过梅毒的治疗，但把自己已有的砷剂给发现淋病病原体的朋友Albert Neisser，请他在梅毒的猴子模型上检验治疗作用，给Neisser的分子之一是606，Neisser没有发现其治疗作用。
在锥虫病治疗告一段落后，也有了日本北里柴三郎推荐的学生秦佐八郎到厄立希实验室做助手，厄立希决定专注梅毒治疗。
1909年秦佐八郎用兔的梅毒模型筛选厄立希研究所已有的砷剂。他发现：606具有显著的治疗梅毒的作用。1907年厄立希研究所的Bertheim就合成了的606，化学名称为二羟基二氨基联砷苯。但等到秦佐八郎才发现其治疗梅毒的作用。经过更多的动物实验和人类试验后，厄立希和秦佐八郎于1910年在“内科学大会”报告606的作用，引起极大反响，各地立即有很多要求进行进一步试验。
广泛的验证证明606确实有治疗梅毒的作用，其推广使得五年内欧洲的梅毒减少到一半。不过也有人反对应用，俄国东正教曾认为梅毒是神对不道德者的处罚，不应该治疗。606也有副作用和其他问题。1914年，合成了水溶性较好、副作用较小的914。1930年，发现厄立希实验室以前合成的599效果更好。自此至青霉素应用之前，599是治疗梅毒的最常用药物。
厄立希于1906年提出“魔弹”的概念：理想的魔弹是只对病原体有亲和力并起损害或杀伤作用，而对人体没有亲和力、亦无损伤作用。606是一例，914、599更符合。606开创了抗生素革命。1932年，德国的Gerhard Domagk用厄立希同样方法筛选治疗细菌性感染的过程中，发现含磺胺的红色染料可以治疗小鼠的链球菌感染。他于1935年发表这些结果，这一分子以后商品名为百浪多息，代表磺胺类抗生素的诞生。
1928年9月3日，英国伦敦圣玛丽医院的Alexander Fleming旅游回实验室后发现在一个培养皿中葡萄球菌生长在一边，而另外一边出现了霉菌感染，靠近霉菌的培养基上面没有葡萄球菌生长。他注意到这一偶然现象，进一步研究发现特定的霉菌（青霉菌）可以产生对热不敏感的分子，抑制一些种类的细菌（但不抑制其他细菌）的生长。
青霉菌分泌的抑菌分子，被德国移民英国的犹太科学家Ernst Chain和澳大利亚移民英国的Howard Florey以及他们的同事最有效的提取。1940年5月25日，他们用部分纯化的分子在小鼠实验证明有效，以后进一步得到验证，他们称其中的化疗物质为“青霉素”。1941年1月他们第一次将青霉素用于人的细菌感染，观察到了显著的治疗作用，以后被一系列试验所验证。
经过一系列工作，他们和同事最终获得了纯化的青霉素。
抗菌药物极大改善了人类生存状况。经济发展带来的整体进步、疫苗和抗生素可能是二十世纪人类寿命显著提高的三个最主要原因。厄立希参与了其中两方面的工作，抗体和抗菌药物，特别是在抗菌药物发明方面有开创性研究。厄立希之前的科学家认识到药物分子需要直接结合其作用的对象（如抗菌药物需要结合病原菌），厄立希研究染料对病原菌的作用，其他人先发现砷剂的作用。
厄立希确定有效砷剂的分子结构式，通过改造它获得衍生化合物，得到作用更强、副作用更小的药物。青霉素的特异性远高于砷剂，更符合所谓魔弹的描述。青霉素可以治疗一批当时常见的病原菌感染，是人类的福音。其后链霉素、氯霉素、红霉素、庆大霉素等等如雨后春笋不断被发现，使很多感染性疾病得到了控制。虽然今天有更多的寻找药物的方法，但二十世纪初所用的药物筛选方法仍然沿用至今，为合理药物设计的重要方法之一。