Siden har biokjemien utviklet seg raskt. I første halvdel av det 20. århundre, spesielt innen feltene karbohydratkjemi, lipider, enzymologi og metabolisme. Høydepunkter i denne utviklingen var etableringen av de viktigste metabolske reaksjonsveiene glykolysen, and the Krebs syklus (sitronsyresyklus) og respirasjonskjeden. Men takket være utviklingen av avanserte teknikker innenfor felter som kromatografi, røntgendiffraksjion, NMR spektroskopi, radioisotopmerking, har også kartlegging av struktur og funksjon til de største og mest kompliserte molekylene: proteiner og nukleinsyrer. Starten på denne andre revolusjonerende utviklingsfasen som kan kalles den molekylærbiologiske fasen, kan passende settes til den fullstendige beskrivelsen av alfaheliks, en av de viktige tredimensjonale strukturformene til proteiner ved Linus Pauling Albert Corey og Herman Branson i 1951. En annen viktig oppdagelse, som kom mer eller mindre samtidig, var arvelærens gen og dets rolle in informasjonsoverføring i cellene. I løpet av 1950-årene ble strukturen til DNA-molekylet bestemt, og samtidig ble mekanismen for dets rolle i overføring av genetisk materiale fastlagt. James D. Watson, Francis Crick, Rosalind Franklin, og Maurice Wilkins har fått æren av disse oppdagelsene.. I 1958 fikk George Beadle og Edward Tatum nobelprisen for å ha påvist at ett gen gir oppskrift til ett proteinmolekyl. Et av de hittil siste gjennombruddene på dette feltet var beskrivelsen av RNA-interferens (RNAi), som cellenes metode for å slå av genenes aktive transkribering til proteiner. Andrew Z. Fire og Craig C. Mello fikk nobelprisen i 2006 for denne oppdagelsen.