在魏晋南北朝时期，有两个极为耀眼的人物，他们的名字至今仍被誉为医学界是的楷模，他们就是华佗和张仲景。
华佗处在曹操时代，他对内科、妇科、儿科、针灸无所不通，尤其擅长外科，会做各种复杂的外科手术。他治病时，“若病结积在内，针药所不能及，当须刳割者，使饮其麻沸散，须臾便如醉死无所知，因破取。若病在肠中，便断肠澈洗，缝腹膏摩，四五日差，不痛，人亦不自寤，一月之间，即平复矣”。
外科手术的成功，表明在当时诊断、解剖、止血和麻醉技术已经达到较高的水平。这是我国医学史上的一个重大突破。华佗发明的麻沸散，比西医的麻醉药剂早1600多年。
另外，除了医药方面，华佗还主张，人必须适当运动，才能使食物消化，血液流通，不生疾病。因此，他编成一套五禽戏，模仿虎、鹿、熊、猿、鸟等动物以求到锻炼身体的效果。当时，曹操患头风病，经常发作，便要华佗专门为他看病。华佗回家探视，借口妻子有病不来，竟被曹操杀害，他的医术也从此失传。
张仲景，名机。在建安年代疫病流行时，张仲景家族200余人死去2/3。张仲景十分悲痛，立志从医，遍读医学典籍，博采民间验方。后来，他结合自己的临床经验，撰著《伤寒杂病论》16卷。所谓“伤寒”，是当时流行的霍乱、痢疾、肺炎、流行性感冒等急性传染病的统称；“杂病”，主要是指内科各种疾病，也包括外科、妇科等。
《伤寒杂病论》的主要贡献表现在两个方面：一是辨证，二是治疗。辨证就是辨明症状，运用望色、闻声、问证、切脉四种方法诊断，把病症分为太阳、阳明、少阳、太阴、少阴、厥阴六大类型，初步总结出中医诊断学的“八纲”——阴、阳、表、里、虚、实、寒、热。在辨明症状的基础上，采取不同的治疗方法，有汗、吐、下（泻）、和、温、清、补、消“八法”。服药之外，还有外搽、舌含、针灸、温熨、药摩、浸足、吹耳和人工呼吸等方法，从而形成一整套中医的治疗原则。由于张仲景的杰出贡献，后世尊称他为“医圣”，称他的著作为“医经”。
后来西晋医学家王叔和将《伤寒杂病论》整理编辑为《伤寒论》（10）卷和《金匮要略》（6卷）两部，流传至今。王叔和不但整理、编辑张仲景的著作，而且总结秦汉以来医疗中切脉的经验，撰著了《脉经》（16卷）一书。《脉经》把中医脉诊原则规范化，分脉象为24种，奠定了脉学理论的基础。
针灸治疗是一门古老的医术，但各有师承，见解不一。西晋皇甫谧根据自身的经验，对前人的成果反复论证，撰写出《针灸甲乙经》（12卷）。这部针灸学专著详细论述五脏六腑、十二经脉及分布在全身各部位的654个穴位；又具体他说明针灸操作手法和注意事项。
东晋葛洪在医学上也有重要贡献。他著有《肘后卒急方》，该书荟卒了许多有实用价值的医方，简明扼要地记载症状、治法和药方，用药力求廉便。梁代时期，陶弘景加以整理补充，改名《肘后百一方》。这部医书对天花、结核病、狂犬病等急性传染病的治疗都有记载。陶弘景还编撰《本草经集注》（7卷），著录药物700余种，分为玉石、草木、虫兽、米食、果、菜和有名未用7大类。这是汉以后药物学的重要发展，对后代的影响很大。此外，陶弘景在修道生活中逐渐形成一套按摩及气功疗法。
中国古代化学起源于炼丹术。道教讲究炼丹，葛洪炼丹数十年，积累了许多物质化学反应的经验和知识。在《抱朴子》中，葛洪记述了不少炼丹过程的化学反应现象。陶弘景也炼丹数十年，著有《养性延命录》。他在文中说，胡粉（碱式碳酸铅）是“化铅所作”，黄丹则是“熬铅所作”，他还掌握了钾盐和钠盐的火化分析法，说真硝石（硝酸钾）如“以火烧之，紫青烟起”，而与芒硝（硫酸钠）是不同的。从此，化学在中国开始发展。