Terminata l'analisi farmacocinetica e sulla sicurezza e tollerabilità, si passa a determinare l'efficacia terapeutica del nuovo farmaco. In alcuni centri ospedalieri selezionati e dotati di comitati etici di controllo, che devono autorizzare sia il protocollo generale di sperimentazione che ogni singolo passo della sperimentazione stessa, vengono realizzati gli studi clinici. Gli studi clinici di fase II comportano la valutazione dell'efficacia del farmaco, analizzando i cosiddetti "end-point" ovvero parametri clinici (ad esempio abbassamento della pressione arteriosa nel caso di anti-ipertensivi) precedentemente identificati nel protocollo sperimentale. Inoltre gli studi di fase II comprendono un ulteriore affinamento dell'analisi sulla tossicità e sugli effetti collaterali. La valutazione dell'efficacia del farmaco viene fatta seguendo diversi protocolli, il più utilizzato e il più affidabile è il protocollo in doppio cieco, dove i pazienti vengono divisi in due gruppi di trattamento, placebo o farmaco, e in cui gli operatori sanitari non sono a conoscenza della natura del trattamento. Ad oggi, molti protocolli non prevedono un placebo ma un "golden-standard" ovvero un farmaco già registrato ed efficace per la determinata patologia in esame. Ogni paziente che partecipa alla sperimentazione deve essere informato puntualmente degli effetti del nuovo farmaco e dei potenziali rischi previsti, e firmare una dichiarazione di consenso informato.