屠呦呦自幼耳闻目睹中药治病的奇特疗效，小时候就对中药有了深刻印象，这促使她后来去探索其中的奥秘。
考大学时，屠呦呦选择药物学专业为第一志愿。她认为药物是治疗疾病的主要手段与工具。1951年，屠呦呦如愿考入北京大学医学院（现为北京大学医学部）药学系，所选专业正是当时一般人缺乏兴趣的生药学。她觉得生药专业最可能接近探索具有悠久历史的中医药领域，符合自己的志趣和理想。在大学4年期间，屠呦呦努力学习，取得了优良的成绩。在专业课程中，她尤其对植物化学、本草学和植物分类学有着极大的兴趣。
1955年，屠呦呦大学毕业，分配到卫生部直属的中医研究院（现中国中医研究院）工作。从此，她埋头从事生药、炮制及化学等中药研究，开始了她为之奋斗一生的事业。当时，正值初创的中医研究院工作条件差，设备简陋，科研人员不足。但是，党的“继承、发扬中医药学宝库，积极发展中医药事业”的政策，遂成为广大中医药工作者的奋斗目标。为刚刚走上工作岗位的屠呦呦增添了力量和信心。
工作伊始，屠呦呦主要从事生药学研究。1956年，全国掀起防治血吸虫病的高潮，她对有效药物半边莲（LobeliachinensisLour.）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（StellariadichotoniaL.var.lanceolataBge.）的生药学研究。这两项成果被相继收入《中药志》。
屠呦呦虽身患结核等慢性疾病，但仍坚持工作，无论到野外采集标本，还是在室内进行实验研究，她都积极主动地完成。由于她在工作中的出色表现，1958年，被评为卫生部社会主义建设积极分子。
1959年，屠呦呦参加卫生部举办的“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。在2年半的学习中，她不但掌握了理论知识，而且参加过临床学习。通过这次学习，屠呦呦深深感受到中医理论与临床实践相结合的重要性。她还根据自己的专业，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。1978年，该书获卫生部医药卫生科技大会成果奖。
通过一段时间的生药和炮制研究，屠呦呦体会到，中药研究还必须重视中药内含物质与药效之间的关系，而有效成分的研究又是掌握中药疗效规律的必然途径。屠呦呦和同志们经过多年不懈的努力，先后发明和研制了新型抗疟药青蒿素和还原青蒿素。1978年，青蒿素抗疟研究课题荣获全国科学大会“国家重大科技成果奖”；1979年，获国家科委授予的发明奖。1984年，青蒿素的研制成功被中华医学会等评为“建国35年以来20项重大医药科技成果”之一。由于屠呦呦在科研工作的出色成绩，1987年，世界文化理事会授予她阿尔伯特·爱因斯坦世界科学奖状。2011年9月，获得拉斯克临床医学奖，获奖理由是“因为发现青蒿素——一种用于治疗疟疾的药物，挽救了全球特别是发展中国家的数百万人的生命。”