Skozi večino zgodovine medicinske znanosti so bila nova zdravila odkrita s postopkom poskusov in napak ali preprosto z golo srečo. Ker se je povpraševanje po novih in učinkovitejših zdravilih povečalo, je nova metoda razvoja zdravil, imenovana racionalno načrtovanje zdravil, začela nadomeščati stare metode. Pri racionalnem oblikovanju zdravil so biološko aktivne spojine posebej zasnovane ali izbrane za delovanje z določeno tarčo zdravila. Ta metoda pogosto vključuje uporabo programske opreme za molekularno načrtovanje, ki jo raziskovalci uporabljajo za ustvarjanje tridimenzionalnih modelov zdravil in njihovih bioloških ciljev. Zaradi tega je postopek znan tudi kot računalniško podprto načrtovanje zdravil.
Tarča zdravila ali biološka tarča je običajno ena od dveh vrst. Prva vrsta je molekula v človeškem telesu, ki povzroča bolezen, ko je na nek način okvarjena. Druga je molekula mikroorganizma, ki povzroča bolezen. Razvoj zdravil vključuje odkrivanje ali oblikovanje novih kemičnih spojin, ki s temi tarčami medsebojno delujejo na ugoden način, na primer z interakcijo s holesterolom, da ga odstranijo iz telesa, ali z interakcijo z virusom, ki povzroči njegovo smrt.
Starejše metode razvoja novih zdravil imajo več pomanjkljivosti, zaradi katerih je odkrivanje zdravil drago podjetje. Najlažja in najhitrejša metoda za razvoj novega zdravila je preprosto odkriti s čisto srečo, da je določena spojina biološko aktivna proti tarči zdravila, ki nas zanima. Morda najbolj znan tak incident je bilo odkritje penicilina s strani Alexandera Fleminga leta 1928. Mikrobiolog je odkril prvi antibiotik, ko so bile nekatere bakterijske kulture, s katerimi je delal, kontaminirane z baktericidno glivo. Seveda se tovrstno naključno odkritje ne zgodi prav pogosto in sreča ni nekaj, na kar se farmacevtske družbe zanašajo pri razvoju novih zdravil.
Najpogostejša metoda, ki se uporablja za razvoj novih zdravil, je dolgotrajen, obsežen proces, imenovan kombinatorični pregled knjižnice. V tem procesu nastane veliko število kemičnih spojin, ki se nato pregledajo za biološko aktivnost. Če določena spojina kaže znake interakcije z biološko tarčo, je deležna dodatne pozornosti in se lahko razvije v novo zdravilo. Ta proces lahko traja več let in ogromne količine denarja, in celo na koncu razvojnega obdobja zdravilo morda ne bo dovolj učinkovito ali varno za uporabo pri ljudeh.
Racionalno načrtovanje zdravil je bolj poenostavljen proces, ki zahteva natančno preučitev cilja zdravila in zdravila samo. Ta metoda oblikovanja zdravil uporablja posebno opremo za preučevanje tridimenzionalne strukture tarče zdravila in nato iskanje spojine, ki lahko deluje s tarčo. Ta proces zato zahteva veliko poznavanje kemije in biologije, saj so kemične interakcije med zdravili in njihovimi tarčami tisto, kar določa, ali je zdravilo biološko aktivno.
Spojine je mogoče locirati za testiranje na dva načina. Prvi vključuje uporabo kombinatoričnega pregleda knjižnic. V tem primeru pa je proces poenostavljen, ker bodo raziskovalci, ki uporabljajo metode racionalnega oblikovanja zdravil, pregledali knjižnico za spojine oblike, ki je dovolj specifična za interakcijo s tarčo zdravila, ki nas zanima. Druga metoda vključuje dejansko zasnovo spojine, ki lahko komunicira s tarčo. To zahteva upoštevanje kemične sestave spojine in znanje o tem, katere kemične skupine bi spojina lahko potrebovala, da bi bila sposobna interakcije s tarčo zdravila.
Prvo zdravilo, razvito s postopkom racionalnega oblikovanja zdravil, je bilo protivirusno zdravilo Relenza®. To zdravilo je bilo zasnovano za interakcijo z beljakovino gripe, imenovano nevraminidaza. Brez tega proteina virus gripe ne more okužiti novih celic; zato lahko zdravljenje z zdravilom skrajša trajanje bolezni. Druga racionalno zasnovana zdravila vključujejo zdravila proti HIV, kot sta ritonavir in indinavir, ki oba medsebojno delujeta z virusnimi beljakovinami, imenovanimi proteaze.