Um axioma na pesquisa médica afirma que "praticamente todas as conquistas médicas do último século dependeram direta ou indiretamente de pesquisas com animais". Quinhentos cientistas britânicos — incluindo três laureados com o Nobel — assinaram em 2005 uma petição da Research Defense Society apoiando uma afirmação quase idêntica de que a experimentação animal desempenha papel crucial nos avanços médicos. Apesar da crença generalizada na importância da pesquisa animal, existem diversas razões para se opor aos testes científicos em animais.
Embora a pesquisa médica costume incluir modelos animais, há poucas evidências que sustentem a ideia de que a pesquisa animal seja necessária para esses avanços médicos. Um estudo de 2004 publicado no British Medical Journal avaliou seis revisões científicas sobre como experimentos com animais influenciaram a pesquisa clínica. Foram encontrados muitos problemas metodológicos nos estudos com animais, como tamanhos de amostra muito pequenos e a realização de estudos com animais ao mesmo tempo que ensaios em humanos. Alguns estudos com animais também indicaram que os tratamentos analisados eram perigosos, e ainda assim os pesquisadores prosseguiram com os ensaios clínicos, sugerindo que não consideravam os estudos com animais importantes.
O uso de modelos animais fornece informações imprecisas sobre como diversos tratamentos afetarão humanos, devido às diferenças biológicas entre espécies. O desenvolvimento de vacinas para HIV usando modelos animais mostrou-se difícil, pois animais não humanos não são infectados pelo HIV. Os pesquisadores limitaram-se a estudar um vírus relacionado, o SIV, em primatas. Uma vacina que parecia promissora para tratar macacos rhesus provou-se ineficaz quando administrada a humanos. Outro fármaco, a talidomida, causa defeitos congênitos em humanos, mas essas anomalias só podem ser ocasionalmente reproduzidas em outras espécies animais. Como pessoas podem responder de forma diferente ao mesmo medicamento, não é surpreendente que indivíduos de espécies diferentes também respondam diferentemente.
Muitos experimentos com animais infligem dor física e psicológica intensa. Em 2007, mais de 77.000 animais foram usados em pesquisas dolorosas sem receber qualquer alívio da dor — e esse número não inclui camundongos, ratos ou pássaros, que não recebem proteção legal sob o Animal Welfare Act e representam 90% dos animais usados em pesquisas científicas. Um teste comum que causa dor severa em animais de laboratório é o teste de Draize. Pesquisadores colocam produtos químicos diretamente nos olhos dos animais, usam grampos para manter as pálpebras abertas e prendem as cabeças dos animais em dispositivos de contenção. Após a conclusão do teste, que pode durar vários dias, os animais são mortos para que seus órgãos sejam estudados.
Cientistas desenvolveram algumas alternativas à experimentação animal. Em escolas e universidades, modelos computacionais e de plástico podem substituir dissecações de animais vivos. O Corrositex, uma pele sintética, testa a toxicidade de produtos químicos. O teste IC50, um ensaio in vitro que avalia a toxicidade de produtos químicos em células, pode substituir o teste LC50, ultrapassado, que administrava um produto químico a um grupo de animais e identificava a concentração necessária para matar metade deles. A técnica de microdosagem aprovada pelo FDA — introduzindo quantidades minúsculas de um fármaco para testar como ele afeta o corpo humano — fornece informações confiáveis sobre como novos medicamentos afetarão humanos.