天然产物一直是人类药物中最具生产力的来源。超过一半的已批准药物源自或受天然产物启发。天然产物的化学多样性超过合成化合物库，具有复杂的骨架、多个立体中心和广泛的官能团化，占据了合成化学无法触及的化学空间区域。

主要来源包括微生物、植物和海洋生物。放线菌，特别是链霉菌属，产生了大多数微生物天然产物药物，包括抗生素、抗真菌药、免疫抑制剂和抗癌剂。从土壤微生物中发现抗生素的黄金时代产生了链霉素、四环素、氯霉素和红霉素。

植物天然产物包括来自短叶红豆杉的抗癌药紫杉醇、来自黄花蒿的抗疟药青蒿素、来自罂粟的镇痛药吗啡和来自紫花洋地黄的心血管药物地高辛。传统医学系统为药物发现项目提供民族植物学线索。

海洋天然产物已成为新型化学结构的丰富来源。海绵、被囊动物、软体动物和海洋微生物产生具有抗癌和抗炎活性的化合物。已批准的海洋来源药物包括来自被囊动物Ecteinascidia turbinata的曲贝替定和来自海绵Halichondria okadai的艾日布林。

药物发现过程始于生物材料的收集、提取、生物测定引导的分级分离和结构解析。使用LC-MS和NMR数据库的去重排可早期识别已知化合物，避免重复表征。针对疾病相关靶标对天然产物提取物进行高通量筛选，识别用于纯化的活性级分。

基因组学的进展振兴了天然产物发现。基因组测序揭示了编码聚酮合酶、非核糖体肽合成酶和萜烯环化酶的生物合成基因簇。异源表达和基因组挖掘激活沉默基因簇以产生新化合物。合成生物学使途径工程成为可能，以改善产量和类似物生产。

挑战包括供应可持续性、已知化合物的重新发现以及天然产物合成的复杂性。策略包括半合成、全合成和组合生物合成以生成具有改善性质的类似物。