Lilly España comenzó su actividad investigadora en 1984, pero el mayor impulso a la I+D tuvo lugar en 2002 con la inauguración del Centro de Investigación en Química Médica y en 2009 con el Laboratorio Europeo de Bioquímica y Biología Molecular, conformando uno de los centros de I+D privado más importante y completo de España, y convirtiendo a la compañía en una de las pocas que en nuestro país cubre todo el proceso de desarrollo de un fármaco, desde que se sintetiza en el laboratorio hasta que llega a la oficina de farmacia.
El Centro de Investigación en Química Médica, que trabaja en colaboración con los centros de EE.UU y Reino Unido, es el más importante del sector en España. Focalizado en el descubrimiento de nuevas moléculas, es el mayor que la compañía tiene en Europa. En cuanto al Laboratorio Europeo de Bioquímica y Biología Molecular, cuenta con avanzada tecnología para analizar y cribar miles de moléculas frente a distintas dianas terapéuticas de forma completamente automatizada.