化學生物學是一門跨越化學和生物學領域的科學學科。 該學科涉及將化學技術、分析以及通過合成化學產生的小分子應用于生物系統的研究和操作。 與涉及生物分子化學研究和細胞內和細胞間生化途徑調節的生物化學相反，化學生物學涉及應用于生物學的化學（生物分子的合成，生物系統的模擬等）。

某些形式的化學生物學試圖通過在化學水平上研究生物系統來回答生物學問題。 與使用生物化學、遺傳學或分子生物學的研究相比，在這些研究中，誘變可以提供感興趣的生物體、細胞或生物分子的新版本，化學生物學使用專為特定目的設計的小分子在體外和體內探測系統 目的或基于生化或基于細胞的篩選確定（參見化學遺傳學）。

化學生物學是與舊的還原論領域不同的幾門跨學科科學之一，其目標是實現對科學整體論的描述。 化學生物學在藥物化學、超分子化學、生物有機化學、藥理學、遺傳學、生物化學和代謝工程方面具有科學、歷史和哲學根源。

化學生物學家致力于通過開發富集策略、化學親和標簽和新探針來改進蛋白質組學。 蛋白質組學樣品通常包含許多肽序列，感興趣的序列可能具有高代表性或低豐度，這為它們的檢測創造了障礙。 化學生物學方法可以通過使用親和色譜法進行選擇性富集來降低樣品的復雜性。 這涉及靶向具有顯著特征（如生物素標簽或翻譯后修飾）的肽。 已開發的方法包括使用抗體、凝集素捕獲糖蛋白、固定化金屬離子捕獲磷酸化肽和酶底物捕獲選定的酶。

為了研究酶活性而不是總蛋白質，已經開發了基于活性的試劑來標記蛋白質的酶促活性形式（參見基于活性的蛋白質組學）。 例如，絲氨酸水解酶和半胱氨酸蛋白酶抑制劑已轉化為自殺抑制劑。 該策略增強了通過直接靶向選擇性分析低豐度成分的能力。 酶活性也可以通過轉化的底物進行監測。 酶底物的鑒定是蛋白質組學中的一個重大難題，對于理解細胞中的信號轉導通路至關重要。 已經開發的一種方法使用模擬敏感激酶使用非天然 ATP 類似物標記底物，通過獨特的處理促進可視化和識別。

雖然 DNA、RNA 和蛋白質都是在基因水平上編碼的，但聚糖（糖聚合物）并不是直接從基因組編碼的，而且可用于研究的工具也很少。 因此，糖生物學是化學生物學家積極研究的一個領域。 例如，可以向細胞提供天然糖的合成變體以探測它們的功能。 Carolyn Bertozzi 的研究小組開發了通過合成糖在細胞表面對分子進行位點特異性反應的方法。

化學生物學家使用各種小分子庫的自動合成來對生物過程進行高通量分析。 這樣的實驗可能會導致發現具有抗生素或化學治療特性的小分子。 這些組合化學方法與藥理學學科中采用的方法相同。

許多研究項目還專注于使用天然生物分子來執行生物學任務或支持新的化學方法。 對此，化學生物學研究人員表明，DNA可以作為合成化學的模板，自組裝蛋白質可以作為新材料的結構支架，RNA可以在體外進化產生新的催化功能。

此外，異雙功能（雙側）合成小分子如二聚體或 PROTAC 將兩種蛋白質在細胞內結合在一起，這可以合成誘導重要的新生物學功能，如靶向蛋白質降解。

蛋白質的化學合成是化學生物學中的一個有價值的工具，因為它允許引入非天然氨基酸以及殘基特異性摻入翻譯后修飾，如磷酸化、糖基化。