到西汉时，药物学的研究不但在官府有专门的机构，在民间也有十分广泛的基础，而且药物学的专著已出现不少。《神农本草经》成书于汉代，是我国现存最早的药物学专著。它是战国、秦汉以来药物知识的总结，而不是出于一时一人之手的著作，对后世药物学的发展有很大的影响。
《神农本草经》共收载药物365种，其中以植物药最多，计252种，动物药67种，矿物药46种。根据其性能和使用目的的不同，这些药物分为上、中、下3品。上品120种，一般是毒性小或无毒的，大都是“主养命以应天”的补养药物；中品120种，有的有毒，有的无毒，多是既攻治疾病又能滋补虚弱的药物；下品125种，多是有毒而专用于攻治疾病的药物。这是我国药物学最早的分类法，它明显地受到方士服食的影响，如书中所载上品药物，屡言“长生不老”“不老神仙”等就是最好的证明。该书对每味药的记述较详细，其中包括有药物的主治、性味、产地、采集时间、入药部分、异名等。书中提到主治疾病的名称达170余种，包括内科、外科、妇科以及眼、喉、耳、齿等方面的疾病。根据长期临床实践和现代科学研究证明，书中所载药效，绝大部分是正确的。如利用水银治疥疮、麻黄治喘、常山截疟、黄连止痢、大黄泻下、莨菪治癫、海藻疗瘿瘤（甲状腺肥大）等，已为现代科学研究所证实，至今仍具有一定的实用价值。
《神农本草经》在其序录中，概括地记述了当时药物学的基本理论。如关于医方中的主药与辅助药之间的“君、臣、佐、使”的理论，阐明了药物配伍的原则；关于“药物有酸、威、甘、苦、辛五味，又有寒、热、温、凉 四气”的“四气五味”说；根据药物的性能不同而采用不同的剂型等等。这些理论反映了当时的药物学已经达到一定的水平。
张仲景（约150?219年）于3世纪初写成了《伤寒杂病论》一书，确立了理、法、方药（即有关辨证的理论、治疗法则、处方和用药）具备的辨证论治的医疗原则，使祖国医学的基础理论更加切合临床应用，从而奠定了中医治疗学的基础。
《伤寒杂病论》被后人整理成《伤寒论》和《金匮要略》二书。《伤寒论》专门论述伤寒类急性传染病，《金匮要略》则以论述内科、外科、妇科等杂病为主要内容。
