تتنوع مجالات البحث في الكيمياء الطبية بشكل كبير، ومن أهم هذه المجالات:
1- تصميم الأدوية وتحسينها: حيث يتم تصميم وتحسين الأدوية لتحقيق أفضل فعالية وأقل تأثيرات جانبية.
2- دراسة الآليات الدقيقة للأمراض: تستخدم الكيمياء الطبية لفهم الآليات الدقيقة للأمراض، وكيفية تفاعل الأدوية معها.
3- تحليل العينات الحيوية: يستخدم الكيميائيون الطبيون تقنيات التحليل الكيميائية لتحليل العينات الحيوية مثل الدم والبول والعرق واللعاب والأنسجة.
4- تشخيص الأمراض: تساعد الكيمياء الطبية في تشخيص الأمراض، وذلك بفحص العينات الحيوية والكشف عن المركبات الكيميائية التي تشير إلى وجود المرض.
5- الصيدلة السريرية: تشمل الدراسات السريرية التي تجرى على الأدوية لتحديد فعاليتها وسلامتها، وكذلك دراسة تأثيرات الأدوية على الجسم والأعراض الجانبية المحتملة.