1955年，屠呦呦大学毕业，分配在卫生部中医研究院(现中国中医科学院)中药研究所工作;1959-1962年，参加了卫生部全国第三期西医离职学习中医班。

　　1956年，全国掀起防治血吸虫病的高潮，她对有效药物半边莲(Lobelia chinensis Lour.)进行了生药学研究;后来，又完成了品种比较复杂的中药银柴胡(Stellaria dichotonia L.var.lanceolata Bge.)的生药学研究。这两项成果被相继收入《中药志》。

　　1959-1962年，参加卫生部全国第三期西医离职学习中医班，系统地学习了中医药知识，深入药材公司，向老药工学习中药鉴别及炮制技术，并参加北京市的炮制经验总结，从而对药材的品种真伪和道地质量，以及炮制技术有了进一步的感性认识。以后，屠呦呦参加了卫生部下达的中药炮制研究工作，是《中药炮炙经验集成》一书的主要编著者之一。该书广泛收集全国28个省、自治区、直辖市的中药炮制经验，对有关文献进行了比较系统的整理。

　　1967年5月23日，中国人民解放军总后勤部和国家科委在北京召开了抗药性恶性疟疾防治全国协作会议，组织60多家科研单位协力攻关，制定了三年科研规划，称为“523任务(523项目)”。

　　1969年，中国中医研究院接受抗疟疾药研究任务，屠呦呦任科技组组长，从此开始了与青蒿素的不解之缘。1969年1月开始，历经380多次实验，190多个样品，2000多张卡片，她查阅大量文献，借鉴了古代用药的经验，设计了多种提取的方法，终于在1971年从黄花蒿中发现抗疟有效提取物。1972年，屠呦呦和她的同事在青蒿中提取到了一种分子式为C15H22O5的无色结晶体，一种熔点为156℃～157℃的活性成份，他们将这种无色的结晶体物质命名为青蒿素。1972年3月，屠呦呦在南京召开的“523”项目工作会议上报告了实验结果。

　　1973年，屠呦呦合成出了双氢青蒿素，以证实其羟(基)氢氧基族的化学结构，但当时她却不知道自己合成出来的这种化学物质以后被证明比天然青蒿素的效果还要强得多。1977年3月，以“青蒿素结构研究协作组”名义撰写的论文《一种新型的倍半萜内酯——青蒿素》发表于《科学通报》(1977年第3期)。1973年3月，上海有机化学研究所研究员周维善，甾体组研究院吴照华和吴毓林确定了化合物的结构。1978年，“523”项目科研成果鉴定会上，1978年，“523”项目的科研成果鉴定会最终认定青蒿素的研制成功，按中药用药习惯，将中药青蒿抗疟成分定名为青蒿素。1981年10月，在北京召开了由世界卫生组织等主办的国际青蒿素会议上，屠呦呦以首席发言人的身份作《青蒿素的化学研究》的报告。1992 年，针对青蒿素成本高、对疟疾难以根治等缺点，发明出双氢青蒿素(抗疟疗效为前者10倍的“升级版”)。