Luonnollinen orgaaninen kemia tutkii luonnollisten orgaanisten yhdisteiden koostumusta, synteesiä, rakennetta ja ominaisuuksia. 1900-luvun alusta 1930-luvulle määritettiin monosakkaridien, aminohappojen, nukleotidien, naudan kolihapon, kolesterolin ja joidenkin terpenoidien, peptidien ja proteiinien rakenne; 30-40-luvulla jotkut vitamiinit, steroidihormonit, polysakkaridien rakenne on saattanut päätökseen joidenkin steroidihormonien ja vitamiinien rakenteen ja synteesin tutkimuksen; noin 40-50-luvulla joitakin antibiootteja, kuten penisilliiniä, on löydetty, ja rakenteen määritys ja synteesi on saatu päätökseen; 50-luvulla tiettyjen steroidiyhdisteiden ja alkaloidien, kuten morfiinin, kokonaissynteesi, bioaktiivisten pienpeptidien, kuten oksitosiinin, synteesi on saatu päätökseen, insuliinin kemiallinen rakenne on määritetty, proteiinien kierukkarakenne ja DNA:n kaksoiskierteinen rakenne on löydetty; insuliinin ja oligonukleotidien kokonaissynteesi on saatu päätökseen 60-luvulla; ja prostaglandiinit on tehty 70-luvulta 80-luvun alkuun, B12-vitamiini, hyönteisten feromonihormonien kokonaissynteesi, nukleiinihappojen ja maitangeniinin rakenteen määritys ja niiden kokonaissynteesin loppuun saattaminen ja niin edelleen.
Orgaanisessa synteesissä se on pääasiassa orgaanisten yhdisteiden synteesiä yksinkertaisista yhdisteistä tai alkuaineista kemiallisten reaktioiden kautta. 1800-luvun 30-luvulla syntetisoitiin ureaa ja 40-luvulla etikkahappoa. Sen jälkeen syntetisoitiin peräkkäin sarja orgaanisia happoja, kuten glukonihappo, sitruunahappo, meripihkahappo, omenahappo ja niin edelleen; 1800-luvun jälkipuoliskolla syntetisoitiin erilaisia väriaineita; 1900-luvun 40-luvulla syntetisoitiin DDT:tä ja organofosforihyönteismyrkkyjä, organorikkisienimyrkkyjä, rikkakasvien torjunta-aineita ja muita torjunta-aineita; 1900-luvun alussa syntetisoitiin 606 ainetta ja 30-40-luvulla yli 1000 sulfonamidia, joista osa voidaan käyttää lääkkeinä.