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整体动物模型是应用最多的动物模型，包括自发动物模型、诱发动物模型、基因工程动物模型等。整体动物模型能从功能、代谢、结构、行为、病征全面模拟人类疾病发生发展全过程，在生命科学研究中发挥重要作用。
利用人体的组织或器官的特性进行疾病机制或药物评价研究。
近年迅速发展的一种体外3D组织培养技术，在体外高效、快速地培养人的组织细胞，形成保留原器官组织结构和生物信息的“微组织”模型。肿瘤类器官培养技术，通过在体外建立类似体内的微环境，把患者肿瘤组织分离的肿瘤细胞在体外实现3D培养，形成微型肿瘤模型，其组织结构、遗传突变图谱与原肿瘤组织保持高度一致，该模型突破了目前的体外模型不能充分复制肿瘤微环境的三维性和异质性的瓶颈，可以更全面地捕捉癌症的生物学特征，让研究者更好地了解肿瘤的转移和发展。利用该模型可测试肿瘤患者对药物的敏感性，实现个性化的精准医疗。如人体胎盘“类器官”，从妊娠早期（妊娠6～9周）人体胎盘中获得的特定滋养层细胞，体外培养10～14天后就发育成三维“类器官”结构，该“类器官”与生理发育正常的妊娠早期胎盘非常相似，具有典型的胎盘功能特征，可分化形成特定类型的滋养层细胞，发育成绒毛（指状）结构，分泌胎盘特异性激素，包括人绒毛膜促性腺激素（hCG）。人体胎盘“类器官”为妊娠期间发生的生理、代谢和激素变化，为子痫前期、胎儿生长受限、死产等疾病研究提供了实验的功能性模型。除此外，还有人肺癌、乳腺癌、胃癌、结肠癌和食管癌等肿瘤类器官模型。
如Draize试验，可利用屠宰场得来的牛眼或者鸡眼角膜进行替代实验。
生物工程技术的高速发展为建立体外微环境方面创造了条件。3D打印技术和生物材料研究的共同进步导致了3D生物打印技术的诞生，其复杂性接近于体内器官、组织或肿瘤微环境，体外再现器官、组织和肿瘤在体内的许多已知特征。如利用双光子光刻微纳米3D打印技术制造出了世界迄今为止第一个高精度1∶1脑血管屏障（blood brain barrier，BBB）微流体模型。除此之外，还有3D打印心脏模型、3D打印胸廓模型、3D打印血管模型、3D打印肺模型、3D打印肝肿瘤模型等。3D生物打印模型对于开发疾病的新疗法以及医学教育至关重要。
随着生物信息学的发展，机体内发生的许多生理、生化、病理和毒理过程能用数学方程式表示，能建立数学模型。有机体内许多生理学参数、药物的物理化学特性、药物在体内的吸收、分布、代谢和排泄过程也能建立生理学基础的药物动力学（PBPK）模型。大多数情况下，这些模型是在计算机上建立和使用，所以也被称为计算机模型或计算机模拟。计算机模型可以根据受体的三维结构或引起药效的生物过程、特定基团的原子、基团在分子中的位置、电荷等辅助药物设计；可以预测许多类型的药物或新化合物在动物体内的生物活性，包括它们的毒性，或通过引入微小的分子结构变化提高药物的药效；可以对一系列相关的化合物进行筛选和排序，然后剩下少量的药物用动物试验来确定；可以通过数学建模或利用数据库建立的计算机模型达到可验证的定量预测，如对细胞行为进行定量预测并进行检验。目前，数学模型已被应用于医学、药物研发、食品工程、生态学、系统生物学等。如，吸入暴露的毒物动力学模型、血液流动的弹性腔模型。