來自傳統藥物的發現
曲折的前期篩選工作
“523 任務”制定的《中醫中藥、針灸防治瘧疾研究規劃方案》第二項為“民間防治瘧疾有效藥物和療法的重點調查研究”。該方案的備註中列出了根據文獻調查提出的作為重點研究的藥物，其中列有青蒿（排在第 5 位）。但是，在之後的記錄中沒有發現有關青蒿篩選的相關記載。根據蔡國定回憶，該方案由中國醫學科學院藥物研究所傅豐永教授擬定，原本準備作為常山之後的重點篩選對象，後因傅豐永、蔡國定均在“文革”中“靠邊站”或者下放“五七幹校”而中斷。
1969 年，在軍事醫學科學院駐衛生部中醫研究院軍代表的建議下，“全國 523 辦公室”邀請中醫研究院中藥研究所（以下簡稱“北京中藥所”）加入“523 任務”的“中醫中藥專業組”。北京中藥所于1969 年 1 月接受“523 任務”，並指定化學研究室的屠呦呦擔任組長，組員是余亞綱和郎林福。
1969 年 4 月，中醫研究院革委會業務組編成了收集有 640 余方的《瘧疾單秘驗方集》。該驗方集與當時其他文獻類似，都是把與常山相關的驗方列在最前面，其中第 15 頁記載有青蒿，但並未對青蒿有特別的關注。
1970 年，“全國 523 辦公室”安排軍事醫學科學院的顧國明到北京中藥所協助他們從傳統中藥中尋找抗瘧藥物。由於當時北京中藥所的條件較差，篩選出的樣品由顧國明送往軍事醫學科學院做鼠瘧模型的研究。余亞綱查閱中醫藥文獻，並且以 1965 年上海市中醫文獻館出版的《瘧疾專輯》為藍本，進行整理分析後列出重點篩選的藥物為：烏頭、烏梅、鱉甲、青蒿等。他們共用水煎或乙醇提取，篩選了近百個藥方，其中青蒿曾出現過對鼠瘧原蟲有 60％—80％ 的抑制率，類似的結果有若干個。北京中藥所檔案顯示，從 1970 年 2 月開始，屠呦呦小組一共送了 10 批 166 種樣品到軍事醫學科學院進行檢測，每一種樣品都有相應的抑制率。其中，前 3 批樣品大部分沒有藥物名稱，只有溶劑提取物名稱，主要溶劑為乙醇、乙醚、石油醚；第 4 批樣品後面有特別註明“屠呦呦篩選”，同樣沒有具體藥品名稱，主要為一些酸性或鹼性成分加水；從第 5 批樣品開始均未有特別註明，但都寫明瞭藥物名稱；第 8 批中最後一個藥物為雄黃，抑制率為 100％；第 9 批中也出現了幾次雄黃，抑制率均在 90％ 以上；青蒿出現在第 10 批樣品中，抑制率顯示為 68％，其提取溶劑為乙醇。這個結果與余亞綱的回憶一致：他在篩選過程中雄黃的抑制率曾有過 100％，青蒿的抑制率沒有雄黃高，但考慮到雄黃為三氧化二砷類化合物，不適宜在臨床上使用，因此退而求其次考慮抑制率排在其後的青蒿。20 世紀 70 年代後期，余亞綱因有其他任務調離研究小組，北京中藥所因人力不足，打算下馬該研究，研究工作處於停滯狀態。
發現並命名青蒿素
1971 年 5 月 21 日—6 月 1 日全國瘧疾防治研究工作座談會在廣州召開，會上領導小組改為由衛生部（正組長）、總後衛生部（副組長）、化工部和中國科學院三部一院領導。會上，北京中藥所提出下馬不幹的想法，但未獲得衛生部的批准。會後，北京中藥所重新組織了研究小組，屠呦呦仍任組長，與組員鐘裕蓉繼續提取中藥，郎林福和劉菊福做動物試驗。屠呦呦曾表明“經過 100 多個樣品篩選的試驗研究工作，不得不再考慮選擇新的藥物，同時又復篩過去顯示效價較高的中藥。因為青蒿曾出現過 68％ 的抑制率，後來對青蒿進行復篩，發現結果不好，只有 40％ 甚至 12％ 的抑制率，於是又放棄了青蒿”。根據北京中藥所的藥物篩選記錄，1971 年 7 月 26 日篩選（序號 16）青蒿抑制率 12％，9 月 1 日（序號 114）青蒿醇抑制率 40％，10 月 4 日（序號 191）青蒿乙醚抑制率達 100％。不過，檔案中的藥物篩選記錄顯示：1971 年 7—12 月，10 月 4 日 191 號青蒿乙醚提取物首次出現 99％ 的抑制率，第 201、205、277、278、281、307、345、347 等均為青蒿的樣品，抑制率都在 99％ 及以上。剛開始的篩選結果並不太穩定，也有用其他溶劑提取的，抑制率都不高，12 月 6 日之後篩選的結果相對穩定。
1972 年 3 月 8 日，屠呦呦作為北京中藥所的代表，在“全國 523 辦公室”主持的南京“中醫中藥專業組”會議上作題為《用毛澤東思想指導發掘抗瘧中草藥工作》的報告，報告了青蒿乙醚中性粗提物的鼠瘧、猴瘧抑制率達 100％ 的結果，引起全體與會者的關注。資料顯示，復篩時屠呦呦從本草和民間的“絞汁”服用的説法中得到啟發，考慮到有效成分可能在親脂部分，於是改用乙醚提取，這樣動物效價才有了顯著提高，使青蒿的動物效價由 30％—40％ 提高到 95％ 以上。屠呦呦最先提取出對鼠瘧原蟲具有 100％ 抑制率的青蒿乙醚中性成分，成為整個青蒿素研發過程中最為關鍵的一步，同時也開啟了其他單位研究青蒿素的大門。
從 1971 年 1月起，屠呦呦小組開始大量提取青蒿乙醚提取物，並於當年 6 月底完成了狗的毒性試驗。為了能儘快開展臨床試驗，在當年對青蒿乙醚提取物對狗的毒性試驗結果尚存在一定爭議的同時，6—8月期間，屠呦呦、郎林福、岳鳳仙與章國鎮、嚴述常、潘恒傑、趙愛華、方文賢先後以不同劑量分作兩批進行了青蒿乙醚中性提取部分的自體試服，均未出現明顯的毒副作用。在經過多次討論以後，1972 年 8月，屠呦呦帶隊在海南島開展青蒿乙醚中性提取物的臨床療效試驗。期間，倪慕雲設計了色譜柱分離的前處理，使青蒿乙醚提取物中性部分的抗瘧作用再次得到提高。鐘裕蓉從文獻獲知硅膠柱分離中性化合物更有效，於是便與助手崔淑蓮在倪慕雲柱前處理的基礎上，按文獻提供的方法用硅膠柱層析，石油醚－乙醚（後改為石油醚－乙酸乙酯）梯度洗脫，分離乙醚中性提取物。1972 年 11月8日，改用上海試劑廠生産的硅膠柱分離，然後用石油醚和乙酸乙酯－石油醚（不同比例）多次洗脫。最先獲得少量的針狀結晶，編號為“針晶Ⅰ”（No．1 或針 1）；隨後洗脫出來的是針狀結晶，編號為“針晶Ⅱ”（No．2 或針 2）；再後來得到的另一種方形結晶，編號為“結晶Ⅲ”（No．3 或方晶）。當時結晶的叫法比較多，並沒有統一。同年 12 月初，經鼠瘧試驗證明，“針晶Ⅱ”是唯一有抗瘧作用的有效單體。此後，北京中藥所向“全國 523 辦公室”彙報時，將抗瘧有效成分“針晶Ⅱ”改稱為“青蒿素Ⅱ”，有時也稱青蒿素，兩個名字經常混著用。再後，北京中藥所均稱“青蒿素Ⅱ”為青蒿素。
黃花蒿素與黃蒿素的相繼發現
參加南京會議的山東省寄生蟲病研究所研究人員回山東後，借鑒北京中藥所的經驗，用乙醚及酒精對山東産的黃蒿進行提取，經動物試驗，獲得較好的效果，並於 1972 年 10 月 21日向“全國 523 辦公室”作了書面報告。山東省寄生蟲病研究所在實驗結果中指出：黃花蒿的提取物抗鼠瘧的結果，與北京中藥所青蒿提取物的實驗報告一致。此後，山東省寄生蟲病研究所與山東省中醫藥研究所協作，1973 年 10 月開始做有效單體的分離。當年 11月，山東省中醫藥研究所從山東省泰安地區採來的黃花蒿（Artemisia annua L．）中分離提取出 7 種結晶，其中第 5 號結晶命名為“黃花蒿素”，具有抗瘧作用。
1972 年底，雲南“523 辦公室”副主任傅良書到北京參加每年一度的地區“523 辦公室”負責人會議，得知了北京中藥所青蒿研究的情況。他回去後召集雲南藥物所的有關研究人員開會，通報了這一消息，並提出利用當地植物資源豐富的有利條件，對菊科蒿屬植物進行普篩。1973 年春節期間，羅澤淵在雲南大學校園內發現了一種一尺多高、氣味很濃的艾屬植物——“苦蒿”，當下採了樣本，帶回所裏曬乾後進行提取。結果發現“苦蒿”的乙醚提取物有抗瘧效果，復篩後結果一樣。他們邊篩選邊提取，當年 4 月，羅澤淵分離得到抗瘧有效單體“苦蒿結晶Ⅲ”，後改稱為“黃蒿素”。