Fase II studies kunnen pas beginnen als alle fase I studies zijn afgerond. Fase II-studies zijn zogenaamde verkennende therapeutische studies waarbij het kandidaat-geneesmiddel wordt getest bij patiënten, d.w.z. deelnemers die lijden aan de ziekte waarvoor het geneesmiddel wordt ontwikkeld.

Het aantal deelnemers in deze fase varieert van 100 tot 500 en ze worden meestal geselecteerd op basis van strikte inclusiecriteria, waardoor de onderzoekspopulatie vrij homogeen is. Dit maakt het gemakkelijker om de onderzoeksresultaten te interpreteren.

Het doel van fase II-studies is om vast te stellen of het kandidaat-geneesmiddel gunstige therapeutische effecten heeft voor patiënten met de ziekte in kwestie en of het veilig is.

Onderzoek naar therapeutische werkzaamheid wordt uitgevoerd in zogenaamde proof-of-concept studies, waarin het kandidaat-geneesmiddel wordt vergeleken met een placebo of, als die bestaat, met een bestaande behandeling (meestal de standaardbehandeling). Deze onderzoeken zijn meestal gerandomiseerd en (dubbel)blind, maar open label onderzoeken worden niet uitgesloten.

Om de werkzaamheid te testen en het effect te maximaliseren, gebruiken proof-of-conceptonderzoeken meestal de maximaal getolereerde dosis die werd bepaald in fase I. Maar fase II onderzoekt ook de optimale dosis en toedieningsfrequentie van het kandidaat-geneesmiddel en verzamelt aanvullende informatie over bijwerkingen. Dit wordt gedaan in dosis-respons studies. Dosis-respons onderzoeken zijn meestal gerandomiseerde, placebogecontroleerde onderzoeken met parallelle onderzoeksgroepen die verschillende dosisniveaus bestuderen. Het nuldosisniveau is dan placebo. Crossover-onderzoeken zijn ook mogelijk.

In totaal kan fase II meerdere jaren duren. Het kandidaat-geneesmiddel kan doorgaan naar Fase III als het, op basis van de resultaten van deze Fase II-studies, voldoet aan vooraf gedefinieerde criteria. Deze resultaten vormen de basis voor het ontwerp van fase III klinische studies.