La compañía dispone de una muestroteca única de organismos marinos compuesta por más de 85.000 especímenes. El departamento de Investigación, Desarrollo e Innovación de PharmaMar ha descubierto 700 entidades químicas nuevas y ha identificado 30 familias nuevas de compuestos. Como consecuencia de este trabajo, PharmaMar dispone de más de 1.800 patentes que, o bien ya han sido concedidas, o se encuentran en fase de tramitación.
 
Yondelis^®, desarrollado por PharmaMar y aprobado inicialmente por la Comisión Europea en 2007 para el tratamiento del sarcoma de tejidos blandos, y en 2009 para el tratamiento del cáncer de ovario recurrente, es el primer fármaco de una nueva generación de antitumorales desarrollados a partir de compuestos marinos. Desde entonces, además de en Europa, Yondelis^® ha sido aprobado en 21 países. Otros compuestos de PharmaMar en fase de desarrollo son Aplidin^®, Irvalec^®, Zalysis^® y PM01183, cada uno de los cuales está en diferentes fases de evaluación clínica. La cartera de productos de la compañía consta también de moléculas en fase de desarrollo  preclínico avanzado.
 
PharmaMar figura entre las principales compañías farmacéuticas españolas que más invierten en Investigación, Desarrollo e innovación. Durante sus primeros 20 años ha dedicado 450 millones de euros a I+D+i.