1930年12月30日，屠呦呦出生於浙江省寧波市。她自幼耳聞目睹中藥治病的奇特療效，小時候就對中藥有了深刻印象，這促使她後來去探索其中的奧秘。
1948年，進入寧波效實中學學習；1950年，進入寧波中學就讀高三；
考大學時，屠呦呦選擇藥物學專業為第壹誌願。她認為藥物是治療疾病的主要手段與工具。1951年，屠呦呦如願考入北京大學醫學院（現為北京大學醫學部）藥學系，所選專業正是當時壹般人缺乏興趣的生藥學。她覺得生藥專業最可能接近探索具有悠久歷史的中醫藥領域，符合自己的誌趣和理想。在大學4年期間，屠呦呦努力學習，取得了優良的成績。在專業課程中，她尤其對植物化學、本草學和植物分類學有著極大的興趣。
1955年，屠呦呦大學畢業，分配到衛生部直屬的中醫研究院（現中國中醫研究院）工作。從此，她埋頭從事生藥、炮制及化學等中藥研究，開始了她為之奮鬥壹生的事業。
1956年，全國掀起防治血吸蟲病的高潮，她對有效藥物半邊蓮（Lobelia chinensis Lour.）進行了生藥學研究；後來，又完成了品種比較復雜的中藥銀柴胡（Stellaria dichotonia L.var.lanceolata Bge.）的生藥學研究。這兩項成果被相繼收入《中藥誌》。
屠呦呦雖身患結核等慢性疾病，但仍堅持工作，無論到野外采集標本，還是在室內進行實驗研究，她都積極主動地完成。由於她在工作中的出色表現，1958年，被評為衛生部社會主義建設積極分子。
1959-1962年，參加衛生部全國第三期西醫離職學習中醫班，系統地學習了中醫藥知識。在2年半的學習中，她不但掌握了理論知識，而且參加過臨床學習。通過這次學習，屠呦呦深深感受到中醫理論與臨床實踐相結合的重要性。她還根據自己的專業，深入藥材公司，向老藥工學習中藥鑒別及炮制技術，並參加北京市的炮制經驗總結，從而對藥材的品種真偽和道地質量，以及炮制技術有了進壹步的感性認識。以後，屠呦呦參加了衛生部下達的中藥炮制研究工作，是《中藥炮炙經驗集成》壹書的主要編著者之壹。該書廣泛收集全國28個省、自治區、直轄市的中藥炮制經驗，對有關文獻進行了比較系統的整理。
1978年，青蒿素抗瘧研究課題榮獲全國科學大會“國家重大科技成果獎”。
1979年，任中國中醫科學院中藥研究所副研究員；獲國家科委授予的發明獎。
1984年，青蒿素的研制成功被中華醫學會等評為“建國35年以來20項重大醫藥科技成果”之壹。
1985年，任中國中醫科學院中藥研究所研究員。
由於屠呦呦在科研工作的出色成績，1987年，世界文化理事會授予她阿爾伯特·愛因斯坦世界科學獎狀。
2011年9月，獲得拉斯克臨床醫學獎，獲獎理由是“因為發現青蒿素——壹種用於治療瘧疾的藥物，挽救了全球特別是發展中國家的數百萬人的生命。”
2015年6月15日，沃倫·阿爾珀特獎基金會(Warren Alpert Prize Foundation)官網宣布，2015年度沃倫·阿爾珀特獎授予中國中醫科學院(原中國中醫研究院)研究員屠呦呦，以表彰其在抗瘧領域的突出貢獻。