Penelitian biokimia berdiri di persimpangan jalan kimia dan biologi, mencari jawaban atas pertanyaan tentang kimia makhluk hidup dan bagaimana zat kimia berperilaku di lingkungan orang hidup atau hewan atau tumbuhan atau makhluk hidup lainnya. Ini juga disebut penelitian biokimia dan kimia biologis. Menurut Biro Statistik Tenaga Kerja Amerika Serikat (BLS), sebagian besar ahli biokimia terlibat dalam penelitian biokimia akademis atau industri.
Topik studi yang memungkinkan berkisar dari perubahan kimia kompleks yang terjadi pada tingkat sel hingga proses dalam individu makhluk hidup, seperti pertumbuhan dan fungsi otak, hingga proses yang berlangsung lintas generasi, seperti keturunan. Dalam salah satu area ini dari sel tunggal hingga kelompok keluarga—atau bahkan pada tingkat yang lebih besar—ahli biokimia dapat mempelajari struktur dan fungsi serta prosesnya, sebab dan akibat biokimia, hubungan antara dan di antara struktur dan organ. Mereka juga dapat mencoba untuk mensintesis atau merekayasa produk yang akan berperan dalam ilmu kedokteran, misalnya.
Dengan fokus pada senyawa organik, penelitian biokimia dapat fokus pada salah satu dari empat jenis utama bahan organik yang ditemukan dalam sel. Salah satu jenisnya adalah protein, makromolekul yang terdiri dari asam amino yang membentuk komponen penting dari makanan manusia dan hewan. Yang kedua adalah karbohidrat, senyawa yang seluruhnya terdiri dari oksigen, karbon, dan hidrogen, yang bergabung menjadi makanan seperti gula, selulosa, dan pati. Yang ketiga disebut lemak atau lipid yang merupakan mekanisme penting dalam menyediakan cadangan energi bagi organisme. Keempat adalah asam nukleat, yang ada di semua sel dan merupakan kunci sintesis protein dan transmisi gen.
Nutrisi adalah bidang penting lain dari penelitian biokimia dan banyak ahli biokimia bekerja di industri makanan. Ahli biokimia mempelajari biokimia makanan di dalam dan dari dirinya sendiri serta bagaimana digunakan dalam tubuh, yang melibatkan studi pencernaan. Proses makanan baru dapat diuji untuk melihat apa, jika ada, dampaknya terhadap kualitas gizi produk makanan, dan ide-ide baru tentang bagaimana memenuhi kebutuhan nutrisi khusus dapat dirancang. Bidang lain dari penelitian biokimia termasuk metabolisme, hormon, sistem peredaran darah, genetika, penyakit tertentu, farmakologi, pengembangan sel induk, toksikologi, dan imunokimia.
Penelitian biokimia didirikan pada akhir abad kedelapan belas. Pertama kali senyawa organik disintesis di laboratorium adalah ketika Friedrich Wöhler mensintesis urea pada tahun 1828. Saat ini, penelitian biokimia terus melihat beberapa area yang sama yang menarik minat para ilmuwan beberapa abad yang lalu, meskipun menggunakan peralatan yang berbeda. Peneliti biokimia memiliki beberapa alat yang sangat khusus yang mereka miliki. Ini termasuk spektrofotometri, elektroforesis gel DNA, kromatografi, dan spektrometri massa.