Die Biochemie wurde erst im 19. Jahrhundert eine eigenständige Disziplin. Die damaligen Untersuchungsmethoden waren eher traditioneller Natur, wie Wiegen, Verbrennen, Vermischen etc. Erst um 1916 entwickelte Fritz Pregl (1869–1930) in Graz mit der quantitativen organischen Mikroanalyse ein wichtiges technisches Hilfsmittel. Mit dieser Analysemethode kleinster Substanzmengen (Reduktion auf ein Fünfzigstel der damals üblichen Menge) machte Pregl bahnbrechende Fortschritte in der Hormon- und Enzymforschung. 1924 entwickelte der schwedische The Svedberg (1884–1971) analytische Ultrazentrifugen, mit denen er die Molekülmassen von Proteinen bestimmen konnte. Er konnte damit auch die Sedimentationskoeffizienten der respiratorischen Blutproteine von Hämoglobin und Hämocyanin bestimmen, das ist eine Einheit, die angibt, mit welcher Geschwindigkeit sich große Moleküle oder kleine Teilchen im Einheitsbeschleunigungsfeld einer Ultrazentrifuge ablagern. Mit dieser von ihm konstruierten Ultrazentrifuge begann die methodische Erforschung und Analyse der Proteine, die zusammen mit der Elektrophorese ab 1937 auch die Erforschung der Aminosäuren, der Bausteine der Proteine, in Gang setzte. Hier wurde auch die Chromatographie eingesetzt.
Mit der Entdeckung der Kernprozesse eröffnete sich für die Biochemie die Möglichkeit, Zellbereiche mit radioaktiven Isotopen zu markieren, wodurch zum ersten Mal Untersuchungen auf molekularer Ebene durchgeführt werden konnten, um dreidimensionale Strukturen sichtbar zu machen. Dieser Bereich wurde vor allem durch William Henry Bragg (1862–1942) sowie Max von Laue (1879–1960) weiterentwickelt, der die Beugung von Röntgenstrahlen an Kristallen entdeckte. Sie befaßten sich vor allem mit Phänomenen der Radioaktivität und der Röntgenstrahlung, Röntgenspektren und Kristallstrukturen u. a. von Proteinen. Damit gelang es, den atomaren Aufbau einiger Minerale und Legierungen aufzuklären sowie die Wellenlänge von Röntgenstrahlen zu bestimmen. Ende der 1940er Jahre wurde durch die Röntgenkristallographie die Proteinstrukturanalyse sowie die Proteinkristallisation möglich, die später von der NASA im Weltraum sehr eindrucksvoll demonstriert wurde (siehe Abbildung).
Die Entwicklung in der Kernphysik erwies sich als absolut durchschlagend für die Entdeckungen dynamischer Prozesse in den Zellen – durch die Kernresonanzspektroskopie und das Elektronenmikroskop, das 1934 von dem deutschen Elektroingenieur Ernst August Friedrich Ruska (1906–1988) erfunden wurde, und durch das Rasterelektronenmikroskop, entwickelt 1937 von Martin von Ardenne (1907–1997).
Auch die theoretischen Entwicklungen in der Quantenphysik ermöglichten neue Erkenntnisse in der Biochemie, und viele Techniken wurden im Bereich der radioaktiven Nachweismethoden entwickelt. Die Analyse von Protein-Nukleinsäure- sowie Protein-Protein-Wechselwirkungen und, wie im Artikel beschrieben, die genauen Untersuchungen des Energiestoffwechsels der Zelle, wie sie von Otto Meyerhof (1884–1951) und seinen Mitarbeitern, wie z. B. Severo Ochoa (1905–1993), durchgeführt wurden, führte zu weiteren bahnbrechenden Entdeckungen, wie der Entschlüsselung der DNA und RNA und ihrer zentralen Rolle in der Proteinbiosynthese.