В начале 20 века крупнейший немецкий ученый П. Эрлих (1854— 1915) доказал возможность синтезировать по заданному плану препараты, способные воздействовать на чужеродные организму возбудители заболеваний, и тем самым заложил основы нового раздела фармакологии — химиотерапии. Первым успешным опытом в этой области было излечение животных от трипаносомоза синтезированным по указанию Эрлиха в 1904 г. красителем (трипановым красным). В 1907 г. в поисках средства против сифилиса Эрлих синтезировал сальварсан, составивший эпоху в химиотерапии. Затем были созданы производные сальварсана, позволившие успешно бороться с рядом паразитарных заболеваний. В 1926 г. был создан первый из синтетических противомалярийных препаратов — плазмохин. В СССР О. Ю. Магидсон получил оригинальный препарат плазмоцид, а И. Л. Кричевский экспериментально изучил его действие. Плазмоцид обладает свойством уничтожать половые формы малярийного плазмодия. В 1936—1937 гг. в СССР было налажено систематическое производство плазмоцида и затем акрихина на мощном специализированном заводе, что способствовало успешной борьбе с малярией.
В 1935 г. видный немецкий патолог и микробиолог Г. Домагк (1895—1964) первым применил сульфаниламидный препарат стрептоцид при экспериментальной стрептококковой инфекции, обосновал применение сульфаниламидных соединений при кокковых инфекциях и положил начало новому этапу в химиотерапии бактериальных заболеваний. После опубликования работ Домагка в СССР и других странах началась разработка сульфаниламидных соединений. Во Всесоюзном научно-исследовательском химико-фармацевтическом институте были синтезированы белый и красный стрептоцид, сульфидин, сульфазол, норсульфазол, сульгин, фталазол, дисульфан и др. Создание сульфаниламидных препаратов сыграло важную роль в лечении ряда заболеваний. В 1949— 1950 гг. коллектив латвийских ученых под руководством Э. М. Буртнека изучил и внедрил в клиническую практику парааминосалициловую кислоту (ПАСК) — химиотерапевтический препарат для лечения туберкулеза.
В 40-х годах возникла химиотерапия злокачественных новообразований.
Интенсивно шли поиски антибактериальных веществ животного и растительного происхождения. В 1928—1929 гг. А. Флеминг (Англия) установил, что один из видов плесневого грибка выделяет антибактерийное вещество — пенициллин. В 1939— 1940 гг. оксфордские ученые X. Флори и Э. Чейн разработали методику получения стойкого пенициллина, научились концентрировать его в тысячи раз и наладили производство препарата в промышленном масштабе, положив начало новому способу борьбы с микроорганизмами при помощи антибиотиков. После того как в 1942 г. пенициллин впервые был с успехом применен в клинической практике, интерес к антибиотикам пробудился во всем мире. В СССР отечественный препарат пенициллина был получен в 1942 г. в лаборатории 3. В. Ермольевой. В том же году в СССР Г. Ф. Гаузе и другими был получен антибиотик грамицидин. В дальнейшем был выделен ряд новых антибиотиков, обладающих различным действием. В 1944 г. американский ученый 3. Ваксман получил стрептомицин.
Были получены антибиотики ауреомицин (1948), колимицин (1949), альбомицин (1949—1950).