Досягнення біохімії в 20 столітті пов'язані насамперед з вивченням білкових речовин. Величезну роль у вивченні амінокислотного складу білків зіграв розроблений в 1903 р. М. С. Кольором (Росія) хроматографічний аналіз, який знайшов широке визнання в 40-х роках (див. Хроматографія). Радянські вчені Б. В. Збарський і С. Р. Мардашев розробили мікробіологічний метод визначення амінокислот в організмі, заснований на тому, що мікроби для свого живлення потребують певному асортименті амінокислот. Цей метод дав можливість не тільки якісного, але й кількісного визначення амінокислот. Для з'ясування загальної структури молекул білків велику роль зіграло застосування электрофоретических методів дослідження (див. Електрофорез), рентгеноструктурного аналізу, ультрацентрифугирования (див.) і електронного мікроскопування. Завдяки винаходу ультрацентрифуги [А. В. Думанський (Росія), 1912; Т. Сведберг (Швеція), 1923] вдалося розшифрувати структуру ряду білків.
Ф. Сангер (Англія) поклав початок сучасної структурної хімії білка. Ним, зокрема, встановлено будову інсуліну (1945-1956). Ці дослідження дозволили вирішити проблему зв'язку між структурою молекули та її біологічною функцією, а також стимулювати розвиток нової галузі науки - молекулярної біології.
До початку 30-х років завдяки працям німецького ботаніка Р. Вильштеттера і шведського вченого Р. Ейлера стало ясно, що ферменти є складними хімічними тілами, що складаються з колоїдного носія білкової природи та небілкової групи (коферменту). У ці ж роки отримані методом висолювання при
низькій температурі уреаза (Д. Б. Самнер, 1926) і ряд травних ферментів в кристалічному вигляді (Д. Нортроп і М. Кунитц, 1930-1931) та встановлено їх хімічна природа. Ці ферменти виявилися порівняно простими білками. Радянські вчені Ст. А. Енгельгардт і М. Н. Любимова (1939) довели, що міозин, що становить основу скоротливого речовини м'язи, здійснює хімічну реакцію, доставляють енергію для м'язового скорочення. Це відкриття лягло в основу одного з найважливіших положень загальної біохімії - про трансформуванні енергії окислювальних процесів в хімічну енергію фосфорних сполук, в першу чергу аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ), та перетворень в живій клітині хімічної енергії в механічну (див. Обмін речовин і енергії Окислення біологічне).
У 1937 р. радянськими вченими А. Е. Браунштейном і М. Р. Крицман доведено можливість переходу білкових сполук у безбелковые і назад (переамінування). Цим важливим відкриттям доведено, що у певних умовах відбувається перетворення, перехід один в одного всіх основних органічних речовин: білків, вуглеводів, жирів. Розпочаті в кінці минулого століття в Росії в. І. Палладиным і А. Н. Бахом роботи по з'ясуванню механізму окислювальних процесів у живих організмах привели в середині 20 століття до розшифрування багатьох етапів клітинної енергетики. В. А. Енгельгардт (1932) вперше вказав на роль процесів фосфорилювання для накопичення легко мобілізованих запасів енергії в організмі. А. В. Паладії з співр. вивчав вплив фізичної роботи і різних харчових раціонів на хімічний склад м'язи. А. В. Паладії ж поклав початок біохімії нервів. Велике значення для успішного розвитку функціональної біохімії мала порівняльна біохімія. Одним із відомих представників цієї науки в нашій країні був В. С. Гулевич (1867-1933).
В особливий напрямок біохімії виділилася в даний час медична хімія. У 1907 р. шведський вчений В. Банг розробив методи визначення різних речовин в малих кількостях досліджуваного субстрату (кров, сироватка і т. д.). Це дало змогу широко проводити різні біохімічні дослідження в клініці і мало велике значення для діагностики і лікування.
У 30-х роках 20 століття виникла як самостійна наука цитохимия. Протягом останніх 10 років було виявлено, що в будову хромосоми лежить білкова основа і ДНК і що остання є матеріальним носієм спадкової інформації. Дослідження в цьому напрямку привели до виникнення нової дисципліни - молекулярної генетики (див.). Генетика не тільки передбачила генну структуру спадкової передачі ознак, але і розгадала природу ряду спадкових хвороб, а для деяких з них (галактоземія, фенілкетонурія та ін) були знайдені шляхи лікування. У 20 столітті виникло вчення про вітаміни (див.) - витаминология. У 1906 р. англійський біохімік Ф. Хопкінс (1861 -1947) встановив, що годівля пацюків штучним молоком викликало у них уповільнення зростання, а додавання натурального молока нормалізувало їх розвиток. У 1911 -1912 рр. польський біохімік К. Функ, який працював в Англії, виділив з рисових висівок тіамін - речовина, яка виліковували хворих бери-бери. Ця речовина мало властивостями амінів, у зв'язку з чим було названо Функом вітаміном. Було встановлено, що всі вітаміни беруть участь у функції різних ферментних систем, розшифровано патогенез багатьох авітамінозів і знайдені шляхи їх попередження.
