青蒿素的生物合成是一個複雜的過程，主要存在於菊科植物黃花蒿的花和葉中。這個過程屬於類異戊二烯途徑，涉及多個生物化學反應步驟。具體來說，青蒿素的生物合成途徑主要由異戊二烯途徑和甲戊羥酸途徑提供二甲基烯丙基焦磷酸(DMAPP)和異戊烯基焦磷酸(IPP)。然後在法尼基焦磷酸合成酶(FPS)的作用下，1個DMAPP和2個IPP生成法尼基焦磷酸(FPP)。接著在紫穗槐二烯合成酶(ADS)的催化作用下生成紫穗槐二烯，紫穗槐二烯由細胞色素P450單氧化酶(CYP71AV1)催化，經過幾步氧化，分別生成青蒿醇、青蒿醛和青蒿酸。
青蒿酸的進一步轉化形成青蒿素的過程尚不完全清楚，目前主要有兩種觀點。一種是在青蒿醛雙鍵還原酶(DBR2)的作用下生成二氫青蒿醛，二氫青蒿醛在醛脫氫酶1(ALDH1)催化下形成二氫青蒿酸(DHAA)，DHAA為青蒿素的直接前體，在光氧化的作用下，DHAA最終生成青蒿素。另一種是青蒿酸經光氧化反應生成青蒿素B，再進一步生成二氫青蒿素B，最終形成青蒿素。
此外，科學家們還通過基因工程手段提高了青蒿素的產量。例如，通過激活關鍵酶控制的基因或改變關鍵基因，增強它們所控制酶的作用效率，從而增加青蒿素的含量。一個成功的例子是將酵母工程菌中青蒿素前體青蒿酸的發酵產量從1.6克/升提高到25克/升，並利用單線態氧成功地將青蒿酸轉化成青蒿素。