Thử nghiệm giai đoạn I trước đây được gọi là "nghiên cứu đầu tiên trên người" (first-in-man) nhưng lĩnh vực này thường chuyển sang cụm từ ngôn ngữ trung lập về giới tính "đầu tiên trên con người" (first-in-human) vào những năm 1990;[5] những thử nghiệm này là giai đoạn thử nghiệm đầu tiên trên con người.[6] Chúng được thiết kế để kiểm tra độ an toàn, tác dụng phụ, liều lượng tốt nhất và phương pháp bào chế của thuốc.[7] Các thử nghiệm giai đoạn I không ngẫu nhiên, do đó dễ bị thiên vị lựa chọn.[8]

Thông thường, một nhóm nhỏ gồm 20–100 tình nguyện viên khỏe mạnh sẽ được tuyển chọn.[6][9] Những thử nghiệm này thường được tiến hành trong một phòng khám thử nghiệm lâm sàng, nơi đối tượng có thể được quan sát bởi nhân viên toàn thời gian. Các phòng khám thử nghiệm lâm sàng này thường được điều hành bởi tổ chức nghiên cứu hợp đồng (CROs), vốn là những công ty thực hiện các nghiên cứu này thay mặt cho các công ty dược phẩm hoặc các nhà điều tra nghiên cứu khác. Đối tượng nhận được thuốc thường được theo dõi cho đến khi một số thời gian bán hủy của thuốc đã trôi qua. Giai đoạn này được thiết kế để đánh giá độ an toàn (cảnh giác dược), khả năng dung nạp, dược động học và dược lực học của thuốc. Các thử nghiệm ở giai đoạn I thường bao gồm các nghiên cứu phân bổ liều dùng khác nhau, còn được gọi là nghiên cứu tăng liều, để có thể tìm ra liều tốt nhất và an toàn nhất cũng như phát hiện ra thời điểm mà một hợp chất trở nên quá độc để sử dụng.[10] Phạm vi liều thử nghiệm thường sẽ là một phần nhỏ liều lượng gây hại trong thử nghiệm trên động vật. Thử nghiệm giai đoạn I thường bao gồm những người tình nguyện khỏe mạnh. Tuy nhiên, có một số trường hợp khi sử dụng bệnh nhân lâm sàng, chẳng hạn như bệnh nhân bị ung thư giai đoạn cuối hoặc HIV và việc điều trị có khả năng làm cho những người khỏe mạnh bị bệnh. Những nghiên cứu này thường được thực hiện tại các phòng khám được kiểm soát chặt chẽ được gọi là CPU (Central Pharmacological Units - Đơn vị Dược phẩm Trung ương), nơi những người tham gia được chăm sóc và giám sát y tế 24/24. Ngoài những người không khỏe mạnh đã đề cập trước đây, "những bệnh nhân thường đã thử và không cải thiện được các liệu pháp tiêu chuẩn hiện có"[11] cũng có thể tham gia vào các thử nghiệm ở giai đoạn I. Các tình nguyện viên được trả một khoản phí bù đắp cho những bất tiện trong thời gian họ ở trung tâm tình nguyện.

Trước khi bắt đầu thử nghiệm giai đoạn I, nhà tài trợ phải gửi đơn đăng ký Thuốc mới đang điều tra cho FDA nêu chi tiết dữ liệu sơ bộ về thuốc được thu thập từ các mô hình tế bào và nghiên cứu trên động vật.

Các thử nghiệm giai đoạn I có thể được chia nhỏ hơn nữa:

Liều tăng dần duy nhất (Giai đoạn Ia)Trong các nghiên cứu liều tăng dần đơn lẻ, các nhóm nhỏ đối tượng được dùng một liều duy nhất của thuốc trong khi họ được quan sát và thử nghiệm trong một khoảng thời gian để xác nhận tính an toàn. [6] [12] Thông thường, một số lượng nhỏ người tham gia, thường là ba, được nhập tuần tự với một liều lượng cụ thể. [11] Nếu chúng không biểu hiện bất kỳ tác dụng phụ bất lợi nào và dữ liệu dược động học gần như phù hợp với các giá trị an toàn được dự đoán, thì liều dùng sẽ được tăng lên, và một nhóm đối tượng mới sau đó sẽ được dùng liều cao hơn. Nếu quan sát thấy độc tính không thể chấp nhận được ở bất kỳ người nào trong số ba người tham gia, thì sẽ có thêm một số người tham gia, thường là ba người, được điều trị với cùng liều lượng. [11] Điều này được tiếp tục cho đến khi đạt được mức an toàn dược động học được tính toán trước, hoặc các tác dụng phụ không thể dung nạp bắt đầu xuất hiện (lúc đó thuốc được cho là đã đạt đến liều dung nạp tối đa (MTD)). Nếu quan sát thấy thêm một liều khiến độc tính không thể chấp nhận được, thì việc tăng liều sẽ kết thúc và liều đó, hoặc có thể là liều trước đó, được tuyên bố là liều dung nạp tối đa. Thiết kế đặc biệt này giả định rằng liều dung nạp tối đa xảy ra khi khoảng một phần ba số người tham gia gặp độc tính không thể chấp nhận được. Các biến thể của thiết kế này tồn tại, nhưng hầu hết đều tương tự nhau. [11]Nhiều liều tăng dần (Giai đoạn Ib)Nhiều nghiên cứu liều tăng dần điều tra dược động học và dược lực học của nhiều liều thuốc, xem xét tính an toàn và khả năng dung nạp. Trong các nghiên cứu này, một nhóm bệnh nhân được dùng nhiều liều thuốc thấp, trong khi các mẫu (máu và các chất lỏng khác) được thu thập tại các thời điểm khác nhau và phân tích để thu thập thông tin về cách thuốc được xử lý trong cơ thể. Liều sau đó được tăng lên cho các nhóm khác, lên đến mức đã xác định trước.[6][12]Hiệu ứng thực phẩmMột thử nghiệm ngắn được thiết kế để điều tra bất kỳ sự khác biệt nào trong việc hấp thụ thuốc của cơ thể, gây ra bởi việc ăn uống trước khi dùng thuốc. Các nghiên cứu này thường được thực hiện như một nghiên cứu chéo, với các tình nguyện viên được cho dùng hai liều thuốc giống nhau khi nhịn ăn và sau khi được cho ăn.