Alih-alih menyaring ribuan senyawa dan berharap menemukan yang berhasil, desain obat rasional dimulai dengan pengetahuan tentang target biologis. Jika struktur protein diketahui, ahli kimia dapat merancang molekul yang sesuai dengan situs aktifnya. Jika targetnya adalah enzim, mereka dapat merancang inhibitor yang memblokir aktivitasnya. Pendekatan ini disebut rasional karena didasarkan pada pemahaman target, bukan pada coba-coba.

Proses ini biasanya dimulai dengan biologi struktural. Kristalografi sinar-X, mikroskopi krio-elektron, atau resonansi magnetik nuklir mengungkapkan bentuk tiga dimensi dari target. Kemudian, alat komputasi memodelkan bagaimana obat potensial dapat berikatan. Para ahli kimia mensintesis kandidat yang paling menjanjikan dan mengujinya. Hasilnya dimasukkan kembali ke dalam model, dan siklus berulang. Desain rasional telah menghasilkan obat untuk HIV, influenza, dan kanker, di antara penyakit lainnya. Metode ini lebih cepat dan efisien daripada penyaringan acak, tetapi bergantung pada ketersediaan target yang terkarakterisasi dengan baik dan data struktural yang baik.

Langkah-langkah dalam desain obat rasional:

• Identifikasi target.
• Penentuan struktur.
• Pemodelan komputasi.
• Sintesis dan pengujian.
• Iterasi.

Desain rasional tidak selalu berhasil. Beberapa target terlalu fleksibel atau terlalu mirip dengan protein lain, sehingga menyulitkan desain obat selektif.