Lähes koko lääketieteen historian aikana uusia lääkkeitä on löydetty kokeilu- ja erehdysprosessin kautta tai yksinkertaisesti pelkän tuurin kautta. Kun uusien ja tehokkaampien lääkkeiden kysyntä on kasvanut, uusi lääkekehitysmenetelmä, jota kutsutaan järkeväksi lääkesuunnitteluksi, on alkanut korvata vanhat menetelmät. Järkevässä lääkesuunnittelussa biologisesti aktiiviset yhdisteet on erityisesti suunniteltu tai valittu toimimaan tietyn lääkekohteen kanssa. Tämä menetelmä sisältää usein molekyylisuunnitteluohjelmiston käytön, jonka avulla tutkijat luovat kolmiulotteisia lääkemalleja ja niiden biologisia kohteita. Tästä syystä prosessi tunnetaan myös tietokoneavusteisena lääkesuunnitteluna.
Lääkekohde tai biologinen kohde on yleensä yksi kahdesta tyypistä. Ensimmäinen tyyppi on ihmiskehon molekyyli, joka aiheuttaa sairauksia, jos se on jollain tavalla viallinen. Toinen on tautia aiheuttavan mikro-organismin molekyyli. Lääkekehitykseen kuuluu uusien kemiallisten yhdisteiden löytäminen tai suunnittelu, jotka ovat vuorovaikutuksessa näiden kohteiden kanssa hyödyllisellä tavalla, esimerkiksi vuorovaikutuksessa kolesterolin kanssa sen poistamiseksi kehosta tai vuorovaikutuksessa viruksen kanssa aiheuttaakseen sen kuoleman.
Vanhemmilla menetelmillä uusien lääkkeiden kehittämiseksi on useita puutteita, jotka tekevät huumeiden löytämisestä kalliin liiketoiminnan. Helpoin ja nopein tapa kehittää uusi lääke on yksinkertaisesti todeta pelkällä tuurilla, että tietty yhdiste on biologisesti aktiivinen kiinnostuksen kohteena olevaa lääkekohdetta vastaan. Ehkä tunnetuin tällainen tapaus oli Alexander Flemingin löytämä penisilliini vuonna 1928. Mikrobiologi löysi ensimmäisen antibiootin, kun jotkut bakteeriviljelmät, joiden kanssa hän työskenteli, saastuivat bakterisidisellä sienellä. Tällaista sattumanvaraista löytöä ei tietenkään tapahdu kovin usein, eikä onni ole lääkeyritysten luottamus uusien lääkkeiden kehittämiseen.
Yleisin menetelmä uusien lääkkeiden kehittämisessä on pitkä, laajamittainen prosessi, jota kutsutaan yhdistelmäkirjastojen seulonnaksi. Tässä prosessissa syntyy suuri määrä kemiallisia yhdisteitä ja seulotaan sitten biologinen aktiivisuus. Jos tietyssä yhdisteessä on merkkejä vuorovaikutuksesta biologisen kohteen kanssa, se saa lisää huomiota ja siitä voidaan kehittää uusi lääke. Tämä prosessi voi kestää useita vuosia ja valtavia summia rahaa, ja jopa kehitysvaiheen lopussa lääke ei ehkä ole tarpeeksi tehokas tai tarpeeksi turvallinen ihmisille.
Rationaalinen lääkemuotoilu on virtaviivaisempi prosessi, joka vaatii huolellista harkintaa sekä lääkkeen kohteesta että itse lääkkeestä. Tämä lääkkeen suunnittelumenetelmä käyttää erikoislaitteita tutkiakseen lääkekohteen kolmiulotteisen rakenteen ja löytääkseen sitten yhdisteen, joka voi olla vuorovaikutuksessa kohteen kanssa. Tämä prosessi vaatii siksi merkittäviä kemian ja biologian tuntemuksia, koska lääkkeiden ja niiden kohteiden väliset kemialliset vuorovaikutukset määräävät, onko lääke biologisesti aktiivinen.
Yhdisteet voidaan löytää testausta varten kahdella tavalla. Ensimmäinen koskee yhdistelmäkirjastojen seulontaa. Tässä tapauksessa prosessia kuitenkin virtaviivaistetaan, koska tutkijat, jotka käyttävät järkeviä lääkesuunnittelumenetelmiä, seulovat kirjastosta sellaisten yhdisteiden muotoa, jotka ovat riittävän spesifisiä vuorovaikutukseen kiinnostuksen kohteena olevan lääkekohteen kanssa. Toinen menetelmä sisältää yhdisteen todellisen suunnittelun, joka voi olla vuorovaikutuksessa kohteen kanssa. Tämä edellyttää yhdisteen kemiallisen koostumuksen huomioon ottamista ja tietoa siitä, mitä kemiallisia ryhmiä yhdiste voi tarvita voidakseen olla vuorovaikutuksessa lääkekohteen kanssa.
Ensimmäinen lääke, joka kehitettiin käyttämällä järkevää lääkemuotoiluprosessia, oli Relenza® -niminen viruslääke. Tämä lääke on suunniteltu toimimaan vuorovaikutuksessa influenssaproteiinin, nimeltään neuraminidaasi, kanssa. Ilman tätä proteiinia influenssavirus ei voi tartuttaa uusia soluja; siksi lääkehoito voi lyhentää sairauden kestoa. Muita järkevästi suunniteltuja lääkkeitä ovat HIV -lääkkeet, kuten ritonaviiri ja indinaviiri, jotka molemmat ovat vuorovaikutuksessa proteaaseiksi kutsuttujen virusproteiinien kanssa.