Η φυσική οργανική χημεία είναι η μελέτη της σύνθεσης, της σύνθεσης, της δομής και των ιδιοτήτων των φυσικών οργανικών ενώσεων. Από τις αρχές του 20ου αιώνα έως τη δεκαετία του '30, προσδιορίστηκε η δομή των μονοσακχαριτών, των αμινοξέων, των νουκλεοτιδίων, του βόειου χολικού οξέος, της χοληστερόλης και ορισμένων τερπενοειδών, πεπτιδίων και πρωτεϊνών. στη δεκαετία του 30~40, ορισμένες βιταμίνες, στεροειδείς ορμόνες, Η δομή των πολυσακχαριτών έχει ολοκληρώσει τη μελέτη της δομής και της σύνθεσης ορισμένων στεροειδών ορμονών και βιταμινών. Γύρω στη δεκαετία του 40-50, ανακαλύφθηκαν ορισμένα αντιβιοτικά όπως η πενικιλλίνη, και ο προσδιορισμός της δομής και η σύνθεση έχουν ολοκληρωθεί. στη δεκαετία του '50, ολοκληρώθηκε η ολική σύνθεση ορισμένων στεροειδών ενώσεων και αλκαλοειδών όπως η μορφίνη, η σύνθεση βιοδραστικών μικρών πεπτιδίων όπως η ωκυτοκίνη, η χημική δομή της ινσουλίνης έχει προσδιοριστεί, η ελικοειδής δομή των πρωτεϊνών και η δομή της διπλής έλικας DNA έχουν ανακαλυφθεί. Η συνολική σύνθεση ινσουλίνης και ολιγονουκλεοτιδίων ολοκληρώθηκε τη δεκαετία του '60. και οι προσταγλανδίνες έχουν πραγματοποιηθεί από τη δεκαετία του '70 έως τις αρχές της δεκαετίας του '80, η βιταμίνη Β12, η ολική σύνθεση των φερομονικών ορμονών των εντόμων, ο προσδιορισμός της δομής των νουκλεϊκών οξέων και της μεταγγενίνης και η ολοκλήρωση της ολικής τους σύνθεσης κ.ο.κ.
Στην οργανική σύνθεση, είναι κυρίως η σύνθεση οργανικών ενώσεων από απλές ενώσεις ή στοιχεία μέσω χημικών αντιδράσεων. Στη δεκαετία του '30 του 19ου αιώνα συντέθηκε η ουρία και στη δεκαετία του '40 συντέθηκε οξικό οξύ. Στη συνέχεια, μια σειρά οργανικών οξέων όπως γλυκονικό οξύ, κιτρικό οξύ, ηλεκτρικό οξύ, μηλικό οξύ και ούτω καθεξής συντέθηκαν διαδοχικά. Στο δεύτερο μισό του 19ου αιώνα, συντέθηκε μια ποικιλία χρωστικών ουσιών. Στη δεκαετία του '40 του 20ου αιώνα, συντέθηκαν DDT και οργανοφωσφορικά εντομοκτόνα, οργανοθείο μυκητοκτόνα, ζιζανιοκτόνα και άλλα φυτοφάρμακα. στις αρχές του 20ου αιώνα, συντέθηκαν 606 παράγοντες και στη δεκαετία του 30-40 συντέθηκαν περισσότερα από 1,{11}} σουλφοναμίδια, μερικά από τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως φάρμακα.