天然药物化学研究室是药物研究所的特色和优势科室之一，是建国以来国内最早从事天然药物化学研究的科室，也是“天然药物活性物质与功能国家重点实验室”的重要组成部分。长期以来，在基于中草药等天然药物活性物质的创新药物研究方面开展了大量研究工作，做出了重要贡献。该科室现有课题组12个；在编科技人员50名，其中中国工程院院士1名，研究员13名，副研究员12名，副主任技师3名，中级职称研究人员19名。该科室所属学科属于全国高校药学重点学科，现有博士生导师11名，硕士生导师10名，每年招收博士后、博士和硕士研究生25名左右。

天然药物化学研究室目前主要针对肿瘤、病毒感染、神经精神系统、老年疾病以及炎症和免疫疾病等常见病和疑难疾病，开展天然药物中新型先导化合物的发现和候选药物研究，主要包括天然活性化合物的分离纯化、结构鉴定、合成优化、修饰改造、构效关系、功能机制和成药性等基础研究；同时，开展基于天然药物活性物质与功能的化合物和有效部位等创新药物开发研究。