На початку 20 століття найбільший німецький вчений П. Ерліх (1854 - 1915) довів можливість синтезувати по заданому плану препарати, здатні впливати на чужорідні організму збудники захворювань, і тим самим заклав основи нового розділу фармакології хіміотерапії. Першим успішним досвідом у цій галузі було лікування тварин від трипаносомоза синтезованим за вказівкою Ерліха у 1904 р. барвником (трипановым червоним). У 1907 р. у пошуках засобу проти сифілісу Ерліх синтезував сальварсан, склав епоху в хіміотерапії. Потім були створені похідні сальварсана, що дозволили успішно боротися з рядом паразитарних захворювань. У 1926 р. був створений перший з синтетичних протималярійних препаратів - плазмохин. В СРСР О. Ю. Магидсон отримав оригінальний препарат плазмоцид, а В. Л. Кричевський експериментально вивчив його дію. Плазмоцид має властивість знищувати статеві форми малярійного плазмодія. У 1936-1937 рр. в СРСР було налагоджено систематичне виробництво плазмоцида і потім акрихіну на потужному спеціалізованому заводі, що сприяло успішній боротьбі з малярією.
У 1935 р. видатний німецький патолог і мікробіолог Р. Домагк (1895-1964) першим застосував сульфаніламідний препарат стрептоцид при експериментальній стрептококової інфекції, обґрунтував застосування сульфаніламідних сполук при кокова інфекціях і поклав початок новому етапу хіміотерапії бактеріальних захворювань. Після опублікування робіт Домагка в СРСР та інших країнах почалася розробка сульфаніламідних сполук. У Всесоюзному науково-дослідному хіміко-фармацевтичному інституті були синтезовані білий і червоний стрептоцид, сульфідин, сульфазол, норсульфазол, сульгин, фталазол, дисульфан і ін. Створення сульфаніламідних препаратів зіграло важливу роль в лікуванні ряду захворювань. У 1949 - 1950 рр. колектив латвійських науковців під керівництвом Е. М. Буртнека вивчив і впровадив у клінічну практику парааминосалициловую кислоту (ПАСК) - хіміотерапевтичний препарат для лікування туберкульозу.
У 40-х роках виникла хіміотерапія злоякісних новоутворень.
Інтенсивно йшли пошуки антибактеріальних речовин тваринного і рослинного походження. У 1928-1929 рр. А. Флемінг (Англія) встановив, що один з видів цвілевого грибка виділяє антибактерийное речовину - пеніцилін. У 1939 - 1940 рр. оксфордські вчені X. Флорі та Е. Чейн розробили методику отримання стійкого пеніциліну, навчилися концентрувати його в тисячі разів і налагодили виробництво препарату в промисловому масштабі, поклавши початок новому способу боротьби з мікроорганізмами за допомогою антибіотиків. Після того як в 1942 р. пеніцилін вперше був з успіхом застосований в клінічній практиці, інтерес до антибіотиків пробудився у всьому світі. В СРСР вітчизняний препарат пеніциліну був отриманий в 1942 р. в лабораторії 3. Ст. Ермольевой. У тому ж році в СРСР Р. Ф. Гаузе та іншими був отриманий антибіотик граміцидин. Надалі був виділений ряд нових антибіотиків, що володіють різним дією. У 1944 р. американський учений 3. Ваксман отримав стрептоміцин.
Були отримані антибіотики ауреоміцин (1948), колимицин (1949), альбомицин (1949-1950).
