有机合成

有机合成是合成化学的一个分支，主要是经由各式各样的有机反应来建构有机分子。和无机分子相比，有机分子通常在结构上复杂许多，包括官能基、立体化学、多环构造等结构性细节。现今有机合成已经发展成为有机化学一个十分重要的分支，也是制药、生医、材料等产业重要的基础。有机合成中有两个主要的领域：全合成与合成方法的研究。

全合成

全合成是从可简单购得或天然存在的有机分子开始合成一个完整复杂的目标分子。在线性合成中，由起始物开始经由化学反应一步一步建构目标分子，而每一步所得到的产物分子则称为合成中间体。合成更加复杂的目标分子通常需要将数个线性合成组合起来。经由几个线性合成组合出目标分子的不同部分，然后再拼装成最终产物，这样的合成策略称为收敛性合成。通常收敛性合成是比较有效率的合成，除了有较高的总产率之外，也可以减少溶剂、管柱用硅胶以及其他化学原料的使用。
历史上许多合成有机化学家曾对于全合成的领域做出不少贡献。1965年诺贝尔化学奖得主罗伯特·伯恩斯·伍德沃德（Robert Burns Woodward）被公认为是有机合成之父，曾经作过许多杰出的有机合成，例如叶绿素、维生素B12和番木鳖碱等等。其它较晚期的例子包括Paul A. Wender, Robert A. Holton、K. C. Nicolaou、Samuel Danishefsky在紫杉醇合成上的研究。

合成方法的研究

合成中的每一步化学反应都要求使用适当的化学试剂与反应条件来得到最佳产率纯度以及尽可能简易的操作。有时候从文献中可以找到制造相同合成中间体的方法，这种状况下通常会因循前例采用那些方法而不是另起炉灶自行研发。但是，大部分的合成中间体都是以前从来没有被制造过的，因此就必须要借助研究合成方法的学者所开发出一般性的方法。一个合成方法要能够给出高产率以及能够应用在不同种类的分子，如此才会被广泛地使用在全合成中。研究合成方法通常包括三个主要阶段：开发、最优化、研究合成方法的应用性以及限制。对于化学试剂的反应性的知识与经验是开发合成方法不可或缺的条件。最优化指的是对于一两个分子试验不同的反应条件（温度、溶剂、反应时间等等）直到获得最佳的产率与纯度。接着研究者会把最优化的合成方法使用在一系列的分子上来探讨这一个合成方法的应用性以及限制。较有规模的研究团队常常会借由全合成来展示他们合成方法的优点和应用在真实例子的价值。

不对称合成

天然分子通常是以单一对映异构体的形式存在，但传统的全合成只能够合成外消旋体混合物，而外消旋体混合物有时可以经由手性拆分来分离。
二十世纪后叶化学家开始投入不对称合成的研究，其中包括以不对称催化剂及动力学手性拆分来直接获得单一对掌异构物而不是外消旋体混合物。早期的例子包括Sharpless不对称环氧化反应（K. Barry Sharpless）以及不对称氢化（William S. Knowles、野依良治），而这些研究者根据他们在不对称合成上的贡献共同获得了2001年诺贝尔化学奖。以往掌性起始物常常只能从天然物中获得，但这一些不对称反应提供了化学家更多掌性起始物的选择。借助由Robert Burns Woodward创新的技术以及控制立体化学之合成方法上的进展，化学家渐渐有能力避免外消旋化的问题，因此不需要任何的手性拆分就可以得到以单一对掌异构物的形式存在的最终产物。这一种技术和概念通称为不对称合成。

合成设计

Elias James Corey在分析合成路径上引进了逆合成分析的概念（1990年诺贝尔化学奖）。逆合成分析指的是从产物开始根据一些规则逆推回起始物，进而建立起整个合成路径，这一些步骤使用逆合成箭头（⇒或⇨）来连结。另外，James B. Hendrickson开发了一套计算化学的程式，根据一连串的“半反应”来设计合成路径。近期也有相关的论文评论电脑辅助设计合成路径之领域的进展。