Η έρευνα της βιοχημείας βρίσκεται στο σταυροδρόμι της χημείας και της βιολογίας, αναζητώντας απαντήσεις σε ερωτήσεις σχετικά με τη χημεία των έμβιων όντων και πώς συμπεριφέρονται οι χημικές ουσίες στο περιβάλλον ενός ζωντανού ανθρώπου ή ζώου ή φυτού ή άλλου έμβιου όντος. Ονομάζεται επίσης βιοχημική έρευνα και βιολογική χημεία. Σύμφωνα με το Γραφείο Στατιστικών Εργασίας των Ηνωμένων Πολιτειών (BLS), οι περισσότεροι βιοχημικοί συμμετέχουν είτε σε ακαδημαϊκή είτε σε βιομηχανική έρευνα βιοχημείας.
Τα πιθανά θέματα μελέτης κυμαίνονται από τις περίπλοκες χημικές αλλαγές που συμβαίνουν σε κυτταρικό επίπεδο στις διεργασίες σε ένα μεμονωμένο ζωντανό ον, όπως η ανάπτυξη και η λειτουργία του εγκεφάλου, έως τις διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα από γενιά σε γενιά, όπως η κληρονομικότητα. Σε οποιονδήποτε από αυτούς τους τομείς, από το μονοκύτταρο έως την οικογενειακή ομάδα – ή ακόμα και σε μεγαλύτερα επίπεδα – οι βιοχημικοί μπορούν να μελετήσουν δομές και τις λειτουργίες και διεργασίες τους, βιοχημικά αίτια και αποτελέσματα, σχέσεις μεταξύ και μεταξύ δομών και οργάνων. Μπορεί επίσης να επιχειρήσουν να συνθέσουν ή να κατασκευάσουν προϊόντα που θα μπορούσαν να διαδραματίσουν ρόλο στην ιατρική επιστήμη, για παράδειγμα.
Με επίκεντρο τις οργανικές ενώσεις, η έρευνα της βιοχημείας μπορεί να επικεντρωθεί σε έναν από τους τέσσερις κύριους τύπους οργανικής ύλης που βρίσκονται σε ένα κύτταρο. Ένας τύπος είναι η πρωτεΐνη, τα μακρομόρια που αποτελούνται από αμινοξέα που αποτελούν βασικό συστατικό της διατροφής ανθρώπων και ζώων. Το δεύτερο είναι οι υδατάνθρακες, ενώσεις που αποτελούνται εξ ολοκλήρου από οξυγόνο, άνθρακα και υδρογόνο, οι οποίοι συνδυάζονται σε τρόφιμα όπως σάκχαρα, κυτταρίνη και άμυλα. Ένα τρίτο ονομάζεται λίπη ή λιπίδια που αποτελούν σημαντικό μηχανισμό παροχής ενεργειακών αποθεμάτων στους οργανισμούς. Τέταρτον είναι τα νουκλεϊκά οξέα, τα οποία υπάρχουν σε όλα τα κύτταρα και τα οποία είναι βασικά για την πρωτεϊνοσύνθεση και τη μετάδοση γονιδίων.
Η διατροφή είναι ένας άλλος σημαντικός τομέας της έρευνας στη βιοχημεία και πολλοί βιοχημικοί απασχολούνται στη βιομηχανία τροφίμων. Οι βιοχημικοί μελετούν τη βιοχημεία της τροφής από μόνη της καθώς και τον τρόπο χρήσης της στο σώμα, η οποία περιλαμβάνει τη μελέτη της πέψης. Μπορούν να δοκιμαστούν νέες διατροφικές διεργασίες για να διαπιστωθεί ποιες, εάν υπάρχουν, επιπτώσεις έχουν στη διατροφική ποιότητα του τροφίμου και μπορούν να επινοηθούν νέες ιδέες για το πώς να καλυφθούν οι ειδικές διατροφικές ανάγκες. Άλλοι τομείς της έρευνας της βιοχημείας περιλαμβάνουν τον μεταβολισμό, τις ορμόνες, το κυκλοφορικό σύστημα, τη γενετική, συγκεκριμένες ασθένειες, τη φαρμακολογία, την ανάπτυξη βλαστοκυττάρων, την τοξικολογία και την ανοσοχημεία.
Η έρευνα της βιοχημείας καθιερώθηκε στα τέλη του δέκατου όγδοου αιώνα. Η πρώτη φορά που συντέθηκε μια οργανική ένωση στο εργαστήριο ήταν όταν ο Friedrich Wöhler συνέθεσε ουρία το 1828. Σήμερα, η έρευνα βιοχημείας συνεχίζει να εξετάζει μερικές από τις ίδιες περιοχές που ενδιέφεραν τους επιστήμονες πριν από αρκετούς αιώνες, αν και χρησιμοποιώντας διαφορετικό εξοπλισμό. Οι ερευνητές βιοχημείας έχουν στη διάθεσή τους μερικά πολύ εξειδικευμένα εργαλεία. Αυτές περιλαμβάνουν φασματοφωτομετρία, ηλεκτροφόρηση γέλης DNA, χρωματογραφία και φασματομετρία μάζας.