屠呦呦自幼耳聞目睹中藥治病的奇特療效，小時候就對中藥有了深刻印象，這促使她後來去探索其中的奧祕。
考大學時，屠呦呦選擇藥物學專業為第一志願。她認為藥物是治療疾病的主要手段與工具。1951年，屠呦呦如願考入北京大學醫學院（現為北京大學醫學部）藥學系，所選專業正是當時一般人缺乏興趣的生藥學。她覺得生藥專業最可能接近探索具有悠久歷史的中醫藥領域，符合自己的志趣和理想。在大學4年期間，屠呦呦努力學習，取得了優良的成績。在專業課程中，她尤其對植物化學、本草學和植物分類學有着極大的興趣。
1955年，屠呦呦大學畢業，分配到衞生部直屬的中醫研究院（現中國中醫研究院）工作。從此，她埋頭從事生藥、炮製及化學等中藥研究，開始了她為之奮鬥一生的事業。當時，正值初創的中醫研究院工作條件差，設備簡陋，科研人員不足。但是，黨的“繼承、發揚中醫藥學寶庫，積極發展中醫藥事業”的政策，遂成為廣大中醫藥工作者的奮鬥目標。為剛剛走上工作崗位的屠呦呦增添了力量和信心。
工作伊始，屠呦呦主要從事生藥學研究。1956年，全國掀起防治血吸蟲病的高潮，她對有效藥物半邊蓮（LobeliachinensisLour.）進行了生藥學研究；後來，又完成了品種比較複雜的'中藥銀柴胡（eolataBge.）的生藥學研究。這兩項成果被相繼收入《中藥志》。
屠呦呦雖身患結核等慢性疾病，但仍堅持工作，無論到野外採集標本，還是在室內進行實驗研究，她都積極主動地完成。由於她在工作中的出色表現，1958年，被評為衞生部社會主義建設積極分子。
1959年，屠呦呦參加衞生部舉辦的“全國第三期西醫離職學習中醫班”，系統地學習了中醫藥知識。在2年半的學習中，她不但掌握了理論知識，而且參加過臨牀學習。通過這次學習，屠呦呦深深感受到中醫理論與臨牀實踐相結合的重要性。她還根據自己的專業，深入藥材公司，向老藥工學習中藥鑑別及炮製技術，並參加北京市的炮製經驗總結，從而對藥材的品種真偽和道地質量，以及炮製技術有了進一步的感性認識。以後，屠呦呦參加了衞生部下達的中藥炮製研究工作，是《中藥炮炙經驗集成》一書的主要編著者之一。該書廣泛收集全國28個省、自治區、直轄市的中藥炮製經驗，對有關文獻進行了比較系統的整理。1978年，該書獲衞生部醫藥衞生科技大會成果獎。
通過一段時間的生藥和炮製研究，屠呦呦體會到，中藥研究還必須重視中藥內含物質與藥效之間的關係，而有效成分的研究又是掌握中藥療效規律的必然途徑。屠呦呦和同志們經過多年不懈的努力，先後發明和研製了新型抗瘧藥青蒿素和還原青蒿素。1978年，青蒿素抗瘧研究課題榮獲全國科學大會“國家重大科技成果獎”；1979年，獲國家科委授予的發明獎。1984年，青蒿素的研製成功被中華醫學會等評為“建國35年以來20項重大醫藥科技成果”之一。由於屠呦呦在科研工作的出色成績，1987年，世界文化理事會授予她阿爾伯特·愛因斯坦世界科學獎狀。2011年9月，獲得拉斯克臨牀醫學獎，獲獎理由是“因為發現青蒿素——一種用於治療瘧疾的藥物，挽救了全球特別是發展中國家的數百萬人的生命。”