药物遗传学的核心研究内容主要集中在探索异常药物反应的遗传机制。其中，单基因遗传在影响个体药物反应差异的因素中占据重要地位，尤其是生理状态、性别、年龄等环境因素以外。遗传缺陷对药物在体内代谢过程和药效的影响是这些异常反应的实质。例如，异烟肼的代谢过程依赖于N-乙酰基转移酶，快代谢型个体迅速将其乙酰化并排泄，而慢代谢型则由于酶缺乏导致药物蓄积，可能引发神经毒性。这种代谢差异受单个基因控制，异烟肼失活慢速型常见于常染色体隐性遗传，尤其在白种人和黑种人中普遍，而在黄种人和华裔中比例较低。
另一种常见的单基因遗传性药物异常反应是G6PD缺乏症，涉及红细胞戊糖代谢途径。G6PD缺乏导致GSH减少，使患者在使用某些氧化性药物后，如伯氨喹啉，易引发溶血性贫血。G6PD缺乏症的遗传方式为X连锁不完全显性，非洲、美洲黑人和地中海沿岸居民的发病率较高，中国华南、西南地区的部分地区也有较高比例，如广东省某些汉族地区高达8.6%。
多基因遗传在药物代谢中同样扮演重要角色，药物吸收、运转至作用部位后，与细胞受体的相互作用对药物代谢有影响。例如，保泰松、乙醇、安替比林等药物的半衰期受多基因高度影响，其遗传度高达0.99至0.98。许多药物，如保泰松、洋地黄毒苷、地高辛等，其代谢过程均受到多基因调控。
药物遗传学（pharmacogenetics）是药理学与遗传学相结合的边缘学科，研究遗传因素对药物代谢的影响，特别是由于遗传因素引起的异常药物反应。药物遗传学的研究丰富了人类遗传学的内容，对临床医学有重要意义。