Естествената органична химия е изследване на състава, синтеза, структурата и свойствата на естествените органични съединения. От началото на 20-ти век до 30-те години на миналия век се определя структурата на монозахаридите, аминокиселините, нуклеотидите, телешката холна киселина, холестерола и някои терпеноиди, пептиди и протеини; през 30-40-те, някои витамини, стероидни хормони, Структурата на полизахаридите завърши изследването на структурата и синтеза на някои стероидни хормони и витамини; около 40-50-те години са открити някои антибиотици като пеницилин и определянето на структурата и синтезът са завършени; през 50-те години е завършен пълният синтез на определени стероидни съединения и алкалоиди като морфин, синтезът на биоактивни малки пептиди като окситоцин, определена е химическата структура на инсулина, открити са спиралната структура на протеините и структурата на двойната спирала на ДНК; общият синтез на инсулин и олигонуклеотиди е завършен през 60-те години; и простагландините са извършени от 70-те до началото на 80-те години, витамин B12, общият синтез на феромонни хормони на насекоми, определянето на структурата на нуклеиновите киселини и майтангенина и завършването на техния пълен синтез и т.н.
В органичния синтез това е главно синтез на органични съединения от прости съединения или елементи чрез химични реакции. През 30-те години на 19 век се синтезира уреята, а през 40-те години се синтезира оцетната киселина. Впоследствие серия от органични киселини като глюконова киселина, лимонена киселина, янтарна киселина, ябълчена киселина и така нататък бяха синтезирани последователно; през втората половина на 19 век са синтезирани различни багрила; през 40-те години на 20 век са синтезирани ДДТ и органофосфорни инсектициди, органосерни фунгициди, хербициди и други пестициди; в началото на 20-ти век са синтезирани 606 агента, а през 30-40-те години са синтезирани повече от 1000 сулфонамиди, някои от които могат да се използват като лекарства.