ניסוי קליני הוא השלב המכריע בפיתוח התרופה, שבסופו נקבע האם התרופה תקבל אישור לשיווק ע"י רשות רגולטורית (כדוגמת ה-FDA האמריקאי). מטרת הניסוי הקליני היא בחינת הבטיחות והיעילות של התרופה, ע"י בדיקתה על בני אדם חולים ו/או בריאים, בהתאם לשלב.

הניסוי הקליני מתחלק בדר"כ לארבעה שלבים:

שלב 1: בחינה ראשונית ומצומצמת יחסית (עשרות נבדקים) של בטיחות התרופה, בדיקת היחס בין מינונים שונים לתופעות לוואי, ובדיקת פיזור ופירוק התרופה בגוף על ציר הזמן. במקרים מסוימים נבדקת גם יעילות התרופה באופן ראשוני. הבדיקות נעשות על משתתפים בריאים ו/או חולים.

שלב 2: בדיקה של יעילות התרופה בקרב מדגם גדול יותר של משתתפים חולים (עשרות עד מאות ספורות). בנוסף, עקב המדגם הגדול יותר ומשך הזמן הארוך יותר של הניסוי (1-2 שנים) נמשכת בחינת הפן הבטיחותי של התרופה.

לעיתים שלב 2 מחולק לשני תת-שלבים:

שלב 2א: מכוון להערכת המינונים היעילים של התרופה.

שלב 2ב: מכוון להערכת יעילות התרופה במינונים שנבחרו בשלב 2א.

שלב 3: בדיקה מקיפה וארוכה (מספר שנים) של יעילות ובטיחות התרופה על מספר רב של משתתפים חולים (מאות רבות עד אלפים), המתבצעת במקביל במספר מרכזים ברחבי העולם.

בשלב זה נעשית השוואה של תוצאות הטיפול בתרופה הנבחנת לתוצאות המתקבלות מטיפול בתרופה מוכרת (בדר"כ כזו המוגדרת כ-gold standard) או בפלסבו (טיפול ללא חומר פעיל) במידה ואין תרופה קיימת.

שלב 4: מתבצע לאחר אישור התרופה לשיווק ומתמקד בהמשך בחינת בטיחות התרופה לטווח זמן ארוך. שלב זה מאפשר גם מעקב אחר תגובות של תת-אוכלוסיות שונות לתרופה (ילדים, נשים בהריון וכד') והשפעת נטילת תרופות אחרות בשילוב עם התרופה הנבדקת.

במקביל לשלבים המפורטים לעיל, קיימים מספר מסלולים מקוצרים לאישור שיווק תרופות:

מסלול מהיר (Fast track): מיועד לתרופות המכוונות לטיפול במחלות חמורות אשר לא קיים להן טיפול אחר. מסלול זה מתאפיין בלוחות זמנים קצרים יותר של בדיקת דוחות, אפשרות להגשת דוחות חלקיים, וקבלת תוצאות המראות גם על יעילות חלקית של התרופה (לדוגמא, כיווץ גידול סרטני לעומת הארכת תוחלת חיים של חולה סרטן). לאחר אישור התרופה לשיווק, על חברת התרופות להמשיך ולבצע את השלבים המסורתיים של הניסוי הקליני.

תרופת יתום (Orphan drug): מסלול המתגמל חברות המפתחות תרופות לטיפול במחלות מהן סובלות אוכלוסיות קטנות יחסית של חולים ואינן צפויות להניב הכנסות גדולות במיוחד. במסלול זה קיים מימון חלקי של פיתוח התרופה ע"י הרשות הרגולטורית, ומפתחת התרופה זכאית לשבע שנים של בלעדיות בשיווק התרופה.