组合化学自20世纪90年代兴起以来，已成为药物发现领域不可或缺的核心技术之一。刘刚教授作为中国最早从事组合化学的研究者之一，其工作为国内该领域奠定了重要基础。刘刚现为中国医学科学院药物研究所研究员、药物化学研究室主任，中国医学科学院、中国协和医科大学特聘教授，2004年度教育部“长江学者特聘教授”。

组合化学采用“群集”思想和研究方法，在发现和优化药物先导物、新催化剂和新材料方面取得了显著成绩。刘刚教授致力于药物组合化学研究十余年，回国后逐步形成独特研究思路，组建了“分子多样性和组合化学”实验室，成功搭建了具有特色的组合化学实验技术平台，形成年合成一万余个化合物的能力。课题组重点解决了寻找和优化药物先导化合物过程中与组合化学相关的前沿科学问题。

组合合成化学库在理论和实践上注重反应高效性、同步纯化可行性和化学库分子多样性。刘刚发展了以1,5-二氟-2,4-二硝基苯为起始原料的液相组合合成“骨架导向”多样性杂环化合物及相关化学库，目前已发展20余个新分子骨架。

刘刚及合作者在国内率先开展魔角核磁共振技术及其在固载化分子上的应用，率先研究不同树脂上羟基氨基酸的糖基化反应，以及固载化分子（万古霉素）与其底物小分子的相互作用，为合成与筛选糖肽化学库提供了定性和定量检测方法。

刘刚课题组发明了“集束网袋”组合合成技术及平行过滤装置。物理编码的“集束网袋”组合合成方式可克服化学编码的许多缺点，兼容平行组合合成和“混合-均分”合成法，具有操作简便、经济实用、物理编码等特点。平行过滤装置的发明加快了大量化合物合成时的纯化步骤，节约了劳动力。

通过组合化学技术，刘刚课题组发展了非特异性免疫调节剂胞壁酰二肽的固相合成方法，并采用“集束网袋”组合合成技术合成并筛选了两千余个类似物，发现了一个强效免疫增强剂。在SARS爆发期间，课题组利用组合化学技术自行立题，与合作者针对SARS-CoV多肽疫苗展开研究，发现了SARS-CoV的B-细胞抗原决定簇谱，相关研究获得了美国国立健康研究所（NIH）的全额资助。