Biochemijos tyrimai stovi chemijos ir biologijos kryžkelėje, ieškodami atsakymų į klausimus apie gyvų būtybių chemiją ir kaip cheminės medžiagos elgiasi gyvo žmogaus ar gyvūno ar augalo ar kitos gyvos būtybės aplinkoje. Jis taip pat vadinamas ir biocheminiais tyrimais, ir biologine chemija. Jungtinių Valstijų darbo statistikos biuro (BLS) duomenimis, dauguma biochemikų dalyvauja akademiniuose arba pramoniniuose biochemijos tyrimuose.
Galimos studijų temos svyruoja nuo sudėtingų cheminių pokyčių, vykstančių ląstelių lygmenyje, iki atskiros gyvos būtybės procesų, tokių kaip augimas ir smegenų funkcija, iki procesų, vykstančių iš kartos į kartą, pavyzdžiui, paveldimumas. Bet kurioje iš šių sričių – nuo vienos ląstelės iki šeimos grupės – ar net didesniu lygiu – biochemikai gali tirti struktūras ir jų funkcijas bei procesus, biochemines priežastis ir padarinius, ryšius tarp struktūrų ir organų bei tarp jų. Jie taip pat gali bandyti sintetinti arba sukurti produktus, kurie, pavyzdžiui, atliktų vaidmenį medicinos moksle.
Daugiausia dėmesio skiriant organiniams junginiams, biochemijos tyrimai gali būti sutelkti į vieną iš keturių pagrindinių ląstelėje esančių organinių medžiagų tipų. Viena iš jų yra baltymai, makromolekulės, sudarytos iš aminorūgščių, kurios yra esminė žmonių ir gyvūnų mitybos dalis. Antrasis yra angliavandeniai, junginiai, sudaryti tik iš deguonies, anglies ir vandenilio, kurie susijungia į tokius maisto produktus kaip cukrus, celiuliozė ir krakmolas. Trečiasis vadinamas riebalais arba lipidais, kurie yra svarbus organizmų energijos atsargų tiekimo mechanizmas. Ketvirta – nukleorūgštys, kurių yra visose ląstelėse ir kurios yra labai svarbios baltymų sintezei bei genų perdavimui.
Mityba yra dar viena svarbi biochemijos tyrimų sritis, o maisto pramonėje dirba daug biochemikų. Biochemikai tiria paties maisto biochemiją, taip pat kaip jis naudojamas organizme, o tai apima virškinimo tyrimą. Galima išbandyti naujus maisto procesus, siekiant išsiaiškinti, kokią įtaką jie turi maisto produkto maistinei kokybei, ir gali būti sukurtos naujos idėjos, kaip patenkinti specialius mitybos poreikius. Kitos biochemijos tyrimų sritys apima medžiagų apykaitą, hormonus, kraujotakos sistemą, genetiką, specifines ligas, farmakologiją, kamieninių ląstelių vystymąsi, toksikologiją ir imunochemiją.
Biocheminiai tyrimai buvo nustatyti XVIII amžiaus pabaigoje. Pirmą kartą organinis junginys buvo susintetintas laboratorijoje, kai Friedrichas Wöhleris 1828 m. susintetino karbamidą. Šiandien biochemijos tyrimai ir toliau nagrinėja kai kurias tas pačias sritis, kurios domino mokslininkus prieš kelis šimtmečius, nors naudojant skirtingą įrangą. Biochemijos mokslininkai turi keletą labai specializuotų įrankių. Tai apima spektrofotometriją, DNR gelio elektroforezę, chromatografiją ir masių spektrometriją.