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屠呦呦自幼耳聞目睹中藥治病的奇特療效，小時候就對中藥有了深刻印象，這促使她后來去探索其中的奧秘。考大學時，屠呦呦選擇藥物學專業為第一志愿。她認為藥物是治療疾病的主要手段與工具。 1951年，屠呦呦如愿考入北京醫學院（現為北京醫科大學）藥學系，所選專業正是當時一般人缺乏興趣的生藥學。她覺得生藥專業最可能接近探索具有悠久歷史的中醫藥領域，符合自己的志趣和理想。在大學4年期間，屠呦呦努力學習，取得了優良的成績。在專業課程中，她尤其對植物化學、本草學和植物分類學有著極大的興趣。1955年，屠呦呦大學畢業，分配到衛生部直屬的中醫研究院（現中國中醫研究院）工作。從此，她埋頭從事生藥、炮制及化學等中藥研究，開始了她為之奮斗一生的事業。當時，正值初創的中醫研究院工作條件差，設備簡陋，科研人員不足。但是，黨的“繼承、發揚中醫藥學寶庫，積極發展中醫藥事業”的政策，遂成為廣大中醫藥工作者的奮斗目標。為走上工作崗位的屠呦呦增添了力量和信心。 　　

工作伊始，屠呦呦主要從事生藥學研究。1956年，全國掀起防治血吸蟲病的高潮，她對有效藥物半邊蓮（Lobelia chinensis Lour。）進行了生藥學研究；后來，又完成了品種比較復雜的中藥銀柴胡（Stellaria dichotonia L。var。lanceolata Bge。）的生藥學研究。這兩項成果被相繼收入《中藥志》。 　　

屠呦呦雖身患結核等慢性疾病，但仍堅持工作，無論到野外采集標本，還是在室內進行實驗研究， 她都積極主動地完成。由于她在工作中的出色表現，1958年，被評為衛生部社會主義建設積極分子。

1959年，屠呦呦參加衛生部舉辦的“全國第三期西醫離職學習中醫班”，系統地學習了中醫藥知識。在2年半的學習中，她不但掌握了理論知識，而且參加過臨床學習。通過這次學習，屠呦呦深深感受到中醫理論與臨床實踐相結合的重要性。她還根據自己的專業，深入藥材公司，向老藥工學習中藥鑒別及炮制技術，并參加北京市的炮制經驗總結，從而對藥材的品種真偽和道地質量，以及炮制技術有了進一步的感性認識。以后，屠呦呦參加了衛生部下達的中藥炮制研究工作，是《中藥炮炙經驗集成》一書的主要編著者之一。該書廣泛收集全國28個省、自治區、直轄市的中藥炮制經驗，對有關文獻進行了比較系統的整理。1978年，該書獲衛生部醫藥衛生科技大會成果獎。 　　

通過一段時間的生藥和炮制研究，屠呦呦體會到，中藥研究還必須重視中藥內含物質與藥效之間的關系，而有效成分的研究又是掌握中藥療效規律的必然途徑。屠呦呦和同志們經過多年不懈的努力，先后發明和研制了新型抗瘧藥青蒿素和還原青蒿素。1978年，青蒿素抗瘧研究課題榮獲全國科學大會“國家重大科技成果獎”；1979年，獲國家科委授予的發明獎。1984年，青蒿素的研制成功被中華醫學會等評為“建國35年以來20項重大醫藥科技成果”之一。由于屠呦呦在科研工作的出色成績，1987年，世界文化理事會授予她阿爾伯特·愛因斯坦世界科學獎狀。

瘧疾是種嚴重危害人類生命健康的世界性流行病。據世界衛生組織（WHO）報告，全世界約數10億人口生活在瘧疾流行區，每年2億余人患瘧疾，百余萬人死于瘧疾。因瘧原蟲對喹啉類藥物已產生抗藥性，所以，瘧疾的防治重新成為世界各國醫藥界的研究課題。60年代以來，美、英、法、德等國化費大量人力和物力，尋找有效的新結構類型化合物，但始終沒有滿意的結果。我國是從1964年重新開始了對抗瘧新藥研究，至1967年，又組織全國7大省、市全面開展這項工作。從中草藥中尋找抗瘧新藥一直是整個工作的主流，但是，通過對數千種中草藥的初步篩選，卻沒有任何重要發現。

就在國內外都處于困境的情況下，1969年2月，屠呦呦接受了中草藥抗瘧研究的艱巨任務。她首先從收集整理歷代醫籍、本草、地方藥志的單、驗方入手，還走訪當時中醫研究院內老中醫專家，搜集建院以來的有關群眾來信，整理了一個從2000余方藥中選編的以640種藥物為主的抗瘧方藥集，并且在此基礎上，進行實驗研究，組織鼠瘧篩選。然而，篩選的大量樣品，均無好的苗頭。不久，屠呦呦服從組織安排，到海南島瘧區實驗室工作半年之久，回北京后，由于種種原因工作難以開展。1971年，抗瘧隊伍再次在廣州召開專業會議，周總理對此作了重要指示。屠呦呦也參加了這次會議，并肩負新的任務回到北京，組織力量成立課題組，投入了新的攻關研究。

這次，在重新考慮對一些基礎比較好的藥物進行復篩時，她又系統查閱有關文獻，特別注意在歷代用藥經驗中吸取藥物合理提取方法的線索，以尋找突破口，東晉名醫葛洪《肘后備急方》中稱，有“青蒿一握，水一升漬，絞取汁服”可治“久瘧”。她細細琢磨這段記載，覺得里面大有文章。屠呦呦根據這條線索，改進了提取方法，采用乙醇冷浸法將溫度控制在60℃，所得青蒿提取物對鼠瘧效價有了顯著提高；接著，用低沸點溶劑提取，使鼠瘧效價更高，而且趨于穩定。

當時正是“文化大革命”的非常時期，政治沖擊一切。在這樣的環境下，屠呦呦等人仍不受任何干擾，日以繼夜地埋頭于實驗室，反復進行抗瘧實驗研究，終于在1971年10月4日，即廣州會議后的第191次實驗（先后篩選方藥200余種）中，獲得了青蒿抗瘧發掘的成功。青蒿提取物對鼠瘧原蟲抑制率達100%，她又把青蒿提取物分為中性和酸性兩大部分，并發現中性部分抗瘧效價高而毒副作用低，酸性部分無效而毒性大。在確證中性部分為青蒿抗瘧有效部分后，又進行猴瘧實驗，取得同樣滿意的效果。

此后，她又進行了深入的藥理、毒理研究，為確保用藥安全她還親自試服。在這種情況下，屠呦呦于1972年8-10 月，偕同有關醫務人員攜藥赴海南昌江地區試用，從間日瘧到惡性瘧，從本地人口到外地人口，首次取得30例青蒿抗瘧的成功。1973年，又在同一地方首次試用青蒿素單體，肯定其抗瘧療效勝于優選抗瘧藥氯喹。接著在全國各地的大力協助下，進一步擴大臨床驗證，至1978年，共治療2099例（其中包括間日瘧1511例，惡性瘧588例），全部獲得臨床痊愈，使青蒿素真正成為一種令人矚目的新結構類型抗瘧新藥。

在臨床證實青蒿抗瘧有效的基礎上，屠呦呦等人發揚連續作戰的精神，從中性部分進一步分離提純青蒿有效單體。這種新型化合物被命名為“青蒿素”，經大量化學工作、衍生物制備結合四大光譜研究，確定為倍半萜類成分。由于其結構的特殊性，后又在中國科學院生物物理研究所和有機化學研究所等單位的支持協助下，用X-衍射方法最終確定了其化學結構。青蒿素為一具過氧基團的“倍半萜內酯”，該結構僅含有碳、氫、氧3種元素，從而突破了抗瘧藥必須具有含氮雜環的理論“禁區”。結果還揭示，青蒿素的抗瘧活性與“倍半萜內酯”結構中的過氧基團相關，為結構改造工作打下了理論基礎。

1977年3月，首次以“青蒿素結構研究協作組”名義撰寫的論文《一種新型的倍半萜內酯——青蒿素》發表于《科學通報》（1977年第3期），引起了世界各國的密切關注和高度重視。

青蒿素的發現和研制，是人類防治瘧疾史上的一件大事，也是繼喹啉類抗瘧藥后的一次重大突破。在1981年10月，在北京召開了由世界衛生組織等主辦的國際青蒿素會議上，屠呦呦以首席發言人的身份作《青蒿素的化學研究》的報告，引起國內外代表們的極大興趣。

瘧疾化療科學工作組主席、印度中央藥物研究所所長阿納德教授認為：這一新的發現，更重要的意義是在于發現這種化合物獨特的化學結構，它為進一步設計合成新的藥物指出方向。”世界衛生組織官員在報告中也指出：“在理論上，任何一種新藥物都具有新的結構和它的作用方式，這樣才能延緩抗藥性的產生，具有較長的生命力。顯然，中國青蒿素是符合這一要求的。”會議代表一致認為，青蒿素及其衍生物是中國科學工作者的發明，它的化學結構與抗瘧作用與以往已知的抗瘧藥作用完全不同，對各種抗藥瘧原蟲具有高效、速效、低毒的特點，是一個很有發展前途的新藥。