1856 – das Britische Empire braucht dringend Chinin für seine Überseekolonien. Doch die Herstellung des Malariamedikaments aus Chinarinde ist aufwändig und teuer. Deshalb sucht der englische Chemiestudent William Perkin nach einem günstigeren Produktionsverfahren: Er will Chinin aus Steinkohleteer herstellen. Perkin scheitert und hat trotzdem Glück. Durch Zufall entdeckt er bei seinen Experimenten den ersten synthetischen Farbstoff und wird auch ohne künstliches Chinin ein reicher Mann.

Ein anderer Bestandteil des Steinkohlenteers, das aromatisch riechende Benzol, war schon 1825 entdeckt worden. Durch sorgfältige Analysen hatten Chemiker ermittelt, dass das Benzolmolekül aus sechs Kohlenstoff- und sechs Wasserstoffatomen besteht. Die Struktur des Benzolmoleküls freilich blieb lange unbekannt. Diese Klärung war August Kekulé vorbehalten, der seit 1858 als Professor für Chemie an der Universität Gent unterrichtete und sich vor allem mit der Bindungsfähigkeit von Kohlenstoffatomen beschäftigte. Emil Erlenmeyer erweiterte schließlich die Bindungsfähigkeit der Kohlenstoffatome untereinander auf Doppel- und Dreifachbindungen. Damit ließ sich die Struktur vieler organischer Verbindungen erklären, nicht aber die des Benzols. Im Traum, so erinnerte sich Kekulé später, kam ihm die Idee einer ringförmigen Struktur des Benzolmoleküls. Die Kenntnis dieser Struktur erleichterte den Chemikern dieser Zeit die Aufklärung der Molekülstruktur vieler synthetischer Farbstoffe und verschaffte der Farbstoffindustrie einen ungeahnten Aufschwung. Nur das Indigo konnte so noch nicht hergestellt werden, dessen Entschlüsselung glückte erst Adolf Baeyer.

Die neu entwickelten synthetischen Farbstoffe eigneten sich auch vorzüglich, um im Mikroskop bisher schlecht sichtbare Zellen und Mikroben anzufärben und so ihre Struktur zu visualisieren. Da manche Farbstoffe nur Mikroben, aber keine menschliche Zellen färben, kam Paul Ehrlich auf die Idee, mit diesen Farbstoffen Medikamente zu koppeln. So sollten sie zwar die Krankheitserreger, nicht aber die Zellen angreifen. Diese Überlegungen führten zur Entwicklung des Medikaments Salvarsan ("heilendes Arsen"), mit dem die bisher unheilbare Syphilis erfolgreich bekämpft werden konnte.

1923 gelang die Herstellung des Chemotherapeutikums Germanin, das zur Heilung der in Afrika grassierenden Schlafkrankheit beitrug. Gerhard Domagk entwickelte in den 1930er Jahren die Wirkstoffgruppe der Sulfonamide, eine gegen viele Infektionskrankheiten wirksame Gruppe von Chemotherapeutika. 1939 erhielt er dafür den Nobelpreis für Medizin.

In den 1950er Jahren konnte mit neuen physikalischen Analysemethoden, wie der Infrarot- oder der Massenspektroskopie die Struktur vieler anderer Moleküle aufgeklärt werden. Mit diesen Kenntnissen konnten so auch hochkomplexe Moleküle konstruiert werden. Mit Hilfe von 3D-Programmen lassen sich diese Moleküle heute auch anschaulich am Computerbildschirm analysieren und konstruieren.