中国的炼丹术兴起于秦汉时期，冶金与制陶技术的飞速发展，与长期使用矿物类药物的丰富经验成为炼丹术兴起的两大物质条件，而古代方术与社会流行的阴阳五行思想的神秘化结合，则成为炼丹术发展的理论源泉。
两汉时期的炼丹术发展很快，而且已经影响到了当时的医学发展，尤其是在本草学著作中，出现了大量的与炼丹术相关的知识。在《神农本草经》中记载有丹砂能化为汞，石胆能化铁为铜成金银，空青能化铜铁铅锡为金，水银能杀金银铜锡毒等很多内容，这些都是炼丹家们通过实践所得到的认识。
已知现存最早的一部炼丹学专著是东汉魏伯阳的《周易参同契》。该书主要讲内丹，部分涉及外丹黄白术。书中认为，《周易》的思想与理论反映了事物的客观规律，可以统御一切。于是，作者依据《周易》的理论，从哲学高度对炼丹家的经验进行了概括与总结，并且在此基础上发展出一整套系统的炼丹术理论，对炼丹的目的、药物、设备和方法均有详细的论述。《周易参同契》在理论与实践上都对中国炼丹术的发展产生了重大影响，被尊为“万古丹经王”。
葛洪是晋朝的一代名医，有《肘后备急方》一书传世。而他的《抱朴子》则是继《参同契》后的又一部重要的炼丹学著作。该书分为内、外篇。其中内篇中的“金丹”、“黄白”、“仙药”三篇集中讨论了炼制金银与丹药，其内容较《参同契》更加详细，化学知识丰富，文字也较为浅显易懂。葛洪对炼丹极为推崇，认为“服草木之药及修小术者”虽然可以“延年迟死耳”，但却无法成仙，只有服用“金丹”和黄金，才能“炼人身体，故能言人不老不死”。并且葛洪自己也亲身参与炼丹活动，积累了很多经验，其对古代化学发展的贡献也是多方面的。比如单质砷的炼制等。而其创制的“饵雄黄”方，则成为唐代火药发明的前身。
魏伯阳、葛洪等人从事的炼丹活动，虽然其主要目的是为了炼制长生不老药，但却从客观上促成了制药化学的开端。他们在无数试验中，得到了一些新的发现，也扩大了化学药物的应用范围。在魏晋南北朝时期，随着炼丹术的日益盛行，各种汞制剂得到了广泛应用。葛洪在《肘后备急方》中就记载了以猪油为润滑剂的水银软膏。而《肘后备急方》记载的“胡恰水银万丸”，则是一种作为利尿药的汞制剂。而且当时对于汞的毒性也有了相当的认识，采用逐渐增量的循环进药方式，以预防汞毒蓄积，“服如大豆丸，日三服，日增一丸，至十丸，更从一起。”主要含有氧化汞的红升丹与主要含有氯化汞的白降丹，则是中医有名的外用药，可以消肿溃脓、祛腐拔毒、生肌长肉，有着良好的疗效。
此外，后世医家也曾从炼丹术中得到了启发，如出自《道藏》的中药名方“紫雪丹”，其配方中有火硝、玄明粉、朱砂、生磁石、生石膏、滑石等多种矿物药，此与《抱朴子·内篇·金丹》所载“金液方”颇为相似。因而，很多研究者认为，“金液方”很可能就是“紫雪丹”的历史根源。
古代炼丹家所炼制的丹药，其主要成分是有毒的汞、铅、砷、硫的化合物，因此，历代因服食丹药而中毒的事故屡有发生，隋唐以后，人们逐渐丧失了对炼丹术的信仰，至宋代，以气功导引为基础的“内丹”学说开始盛行，而被称为“外丹”的炼丹术则逐步走向衰落。然而，炼丹家们取得的化学成就，却作为中国科技史上辉煌的一页而永载史册。而炼丹术在医学上的贡献同样是巨大的，尤其是以外用丹药治疗外科疾患，其疗效与安全性都得到了越来越充分的肯定。后世一些外科著作中，大量记载有丹药的制备方法与临床运用。从而古代盛极一时的炼丹术，在内服丹药没落之后，其外用丹药的支流作为中医外科的一个重要组成部分一直流传至今。
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