Tijdens deze fase wordt met name gekeken naar de veiligheid van het nieuwe geneesmiddel. Hiervoor wordt een kleine groep, meestal jonge gezonde mensen als vrijwilliger blootgesteld aan het nieuwe geneesmiddel. Zij krijgen eenmalig in oplopende doseringen de stof toegediend. Zo wordt bekeken bij welke dosis de bijwerkingen nog acceptabel zijn. Aan een fase 1 onderzoek neemt een beperkt aantal vrijwilligers deel (20 tot 100).

Nadat de veilige dosis bij mensen bekend is, wordt er begonnen met het onderzoeken van de werkzaamheid van het medicijn. In fase 2 wordt het effect gemeten van het nieuwe geneesmiddel bij patiënten die een bepaalde ziekte of aandoening hebben waarvoor het geneesmiddel bedoeld is. In deze fase is het belangrijkste doel de optimale dosis, veiligheid en de effectiviteit van het geneesmiddel vast te stellen. Hierbij  wordt het effect van het actieve geneesmiddel vergeleken met het effect van een ‘placebo’, een pil die geen enkele werkzame stof bevat. De onderzoeken zijn gewoonlijk ‘dubbelblind’, dat wil zeggen dat de onderzoekers en de vrijwilligers niet weten wie het werkzame geneesmiddel krijgt en wie de placebo. Soms wordt de nieuwe medicatie onderzocht in combinatie met al bestaande middelen.

Als uit al het voorgaande onderzoek de optimale dosis is verkregen, wordt deze dosis in een grote groep patiënten onderzocht. Dit onderzoek vindt plaats in diverse ziekenhuizen/onderzoekscentra in verschillende landen. Deze onderzoeken worden uitgevoerd om verder  inzicht te krijgen in de effectiviteit, voordelen en bijwerkingen van het te onderzoeken middel. Hierbij wordt het nieuwe middel naast een vergelijking met placebo vaak ook vergeleken met het tot dan toe meest gebruikte geneesmiddel voor deze patiënten. Hiermee moet worden aangetoond dat het nieuwe geneesmiddel een verbetering is ten opzichte van de bestaande middelen.
Ook in deze fase nemen patiënten deel die de klachten hebben waarvoor het nieuwe geneesmiddel is bedoeld. Aan deze fase werken honderden tot vele duizenden proefpersonen mee.

De laatste stap bij het ontwikkelen van een nieuw geneesmiddel is de goedkeuring voor toelating op de markt. Om de patiënt te beschermen mogen geneesmiddelen alleen worden verkocht, nadat de bevoegde autoriteiten hiervoor toestemming hebben gegeven. Daarvoor dient de farmaceut alle informatie die verkregen is uit alle voorgaande onderzoeken voor te leggen aan deze autoriteiten. In Nederland is dit het College ter Beoordeling van Geneesmiddelen, in Europa Committee for Medicinal Products for Human Use (CHMP) van de EMA (European Medicines Agency). en in de Verenigde Staten de FDA ( Food and Drug Administration). Deze instanties gaan na of alle onderzoeken volgens de regels zijn uitgevoerd en of het middel inderdaad de vereiste veiligheid, werking en kwaliteit heeft. Pas na de registratie mag een middel via de apotheek verkocht worden.

Er worden wereldwijd per jaar ongeveer 200.000 nieuwe stoffen onderzocht. Hiervan komen uiteindelijk maar ongeveer 20 nieuwe medicijnen op de markt. Maar 1 op de 10.000 nieuwe stoffen komt dus uiteindelijk in de apotheek.

Fase 4 wordt ook wel de post-marketing fase genoemd. Hierbij mag het middel worden voorgeschreven door artsen aan de patiënten met de indicatie waarvoor het geneesmiddel geregistreerd is. Fase 4 onderzoek wordt op diverse redenen uitgevoerd, bijvoorbeeld:

• een effectief gebleken behandeling wordt in een onderzoek voor een andere ziekte of bij een andere groep patiënten toegepast

• het wordt vergeleken met een ander effectief gebleken behandeling.

Er worden vaak vele duizenden patiënten behandeld voor langere tijd zonder dat deze aan strenge in- en exclusiecriteria moeten voldoen, zoals in de eerdere fasen wel het geval was.