Dennoch beruhen zweifellos viele wesentliche Erkenntnisse der modernen Wissenschaft mitunter auf Erfahrungen aus Tierexperimenten. Dies gilt insbesondere für den Bereich der abendländischen Schulmedizin, in dem Tierversuche zur Erprobung neuer Arzneimittel eine lange Tradition haben und eine etablierte Forschungsmethode darstellen, die durch die erzielten Fortschritte retrospektiv gerechtfertigt werden kann. Der beträchtliche Anstieg der durchschnittlichen Lebenserwartung in den Industriestaaten und das nahezu völlige Verschwinden von Krankheiten wie Pest, Cholera, Syphilis, Tuberkulose oder Typhus sind nicht zuletzt auf im Tierversuch entwickelte Arzneimittel und medizinische Techniken zurückzuführen. Wenngleich im Bereich moderner Zivilisationskrankheiten wie Krebs oder Herzkreislaufversagen indes trotz der experimentellen Verwendung von Tieren nur mässige Fortschritte erzielt werden, wurden bis heute bereits mehr als fünfzig Nobelpreise für Medizin und Physiologie für auf der Grundlage von in Tierversuchen errungene Erkenntnisse verliehen.
Mediziner, die mit Tieren experimentierten, durften somit seit jeher der Überzeugung sein, dies "in Übereinstimmung mit den vorherrschenden religiösen und philosophischen Vorstellungen unseres Kulturkreises" zu tun. Anzumerken ist in diesem Zusammenhang aber auch, dass die in den westlichen Industrieländern praktizierte Medizin soweit bekannt das einzige Gesundheitssystem der Menschheitsgeschichte darstellt, das zur erfolgreichen Behandlung kranker Menschen (und Tiere) Tierversuche durchführt. Auch soll in diesem Zusammenhang auf die enorme Überproduktion in der pharmazeutischen Industrie hingewiesen werden. Gegenwärtig sind weltweit mehr als 150'000 Arzneimittel im Handel erhältlich; jährlich kommen 15'000 neue hinzu, während 12'000 andere wieder aus dem Verkehr gezogen werden. Auch nach Meinung zahlreicher Forscher handelt es sich dabei um einen aufgeblähten Markt, der sich primär über seinen Umsatz rechtfertigt und wofür eine Unmenge Arzneien hergestellt werden, die keinerlei substanzielle Neuerungen oder Verbesserungen bedeuten. Unter Wissenschaftlern lehnt dennoch nur eine kleine Minderheit Tierversuche als medizinisch unerheblich bzw. unbrauchbar ab. Die Zahl der Forscher und Ärzte, die solchen Versuchen aus ethischen Motiven skeptisch gegenüberstehen, nimmt hingegen ständig zu. In verschiedenen Staaten haben sich kritische Mediziner in Organisationen zusammengeschlossen. So existieren beispielsweise in der Schweiz die Vereinigung "Ärztinnen und Ärzte für Tierschutz in der Medizin" oder in Deutschland die Gesellschaft "Ärzte gegen Tierversuche".
Auch in der Bevölkerung ist die Zahl jener Menschen, die Tierexperimente aus ethischen Überlegungen missbilligen, in den letzten Jahren erheblich gewachsen. Ausser Frage steht, dass Tiere sowohl in physischer als auch in psychischer Hinsicht ebenso leidensfähig sind wie der Mensch - viele ihrer heute bekannten Sinnesempfindungen wurden gerade im Tierversuch nachgewiesen. Exemplarisch sei auf das im Rahmen der Verhaltenspsychologie durchgeführte sog. Separationsmodell verwiesen, mit dem belegt werden konnte, dass Tiere unter hohem Leistungsdruck depressiv und neurotisch werden. Dabei wurden junge Affen, Hunde, Katzen oder Nager von ihren Eltern und Altersgenossen isoliert. Nach einer anfänglichen Phase der Auflehnung, die durch Insomnie, Ruhelosigkeit und Schreien gekennzeichnet war, trat ein Stadium der Verzweiflung ein, in dem Merkmale wie gestörtes Sozialverhalten, Resignation und zunehmende Passivität beobachtet wurden. Ebenfalls unbestritten ist heute der Umstand, dass Labortiere in den Experimenten teilweise erhebliche Schmerzen und Schäden erleiden. Unter der Voraussetzung, dass man Tieren einen Eigenwert und eine Würde attestiert, sind diese Leiden nicht ohne weiteres gerechtfertigt. Ein unterschiedlicher Wert verschiedener Arten lässt sich ethisch ohnehin nicht hinreichend begründen. Der Diskussionsschwerpunkt hat sich daher von methodischen Sach- auf ethische Grundsatzfragen verlagert. Die Frage, ob Tierversuche ethisch oder moralisch gerechtfertigt sind, stellt sich unabhängig davon, ob sie erstens für die Wissenschaft unentbehrlich oder zweitens rechtlich legitimiert sind. Aus der Notwendigkeit einer Handlung für einen bestimmten Zweck folgt nicht automatisch, dass das Tun auch moralisch gerechtfertigt ist; und aus dem Umstand, dass etwas nach derzeit geltendem Recht legitim ist, folgt ebenfalls nicht zwingend, dass es ethisch richtig ist. Die Positionen sind im Grunde mit jenen anderer Tierschutzkontroversen identisch: Befürworter behaupten eine Legitimation des Menschen, Tiere für seine Zwecke zu nutzen, während Gegner von einer unbedingten menschlichen Pflicht ausgehen, auf das Leben und Wohlbefinden aller Mitgeschöpfe bestmöglich Rücksicht zu nehmen.
Das Kriterium der ethischen Vertretbarkeit bereitet bei der Prüfung von Tierversuchsgesuchen oftmals beträchtliche Schwierigkeiten. Beim Entscheid, ob ein Experiment ethisch gerechtfertigt ist, sind nicht nur juristische Abwägungen, sondern vor allem auch ausserhalb des Tierschutzrechts liegende Wertungen vorzunehmen. Dennoch besteht für viele Forschungsbereiche weitgehend Einigkeit über die moralische Verwerflichkeit des Einsatzes von Tieren. Zu denken ist etwa an Experimente zu militärischen und kosmetischen Zwecken oder zur Herstellung von Haushaltsprodukten, Agrochemikalien etc. Aus ethischer Sicht stellen ausschliesslich jene Tierversuche eine wirkliche Konfliktsituation dar, deren Anwendung moralisch begründet werden kann, weil sie schweres Leid oder den Tod verhindern. Dagegen ist es eine Selbstverständlichkeit, dass Experimente mit Tieren weitestmöglich eingeschränkt und nur schmerzlos, verantwortungsvoll und methodisch sauber durchgeführt bzw. stets auch alle verfügbaren Alternativen erwogen werden. In diesem Sinne besteht heute weitgehend Einigkeit über die ethische Verwerflichkeit einer Reihe von Tierversuchen. Darunter fallen nicht nur die bereits erwähnten, sondern auch Experimente, die mangels Qualifikation der Forschung nur wenig einbringen oder infolge fehlender Veröffentlichung unnötige Wiederholungen zur Folge haben. Ebenfalls verwerflich sind jene Experimente, die aufgrund ihrer Anlage, Anzahl oder Durchführung vermeidbare Opfer fordern, die ohne ausreichenden Einbezug verfügbarer Alternativmethoden durchgeführt werden oder Wiederholungsversuche, die im Rahmen gesetzlicher Arzneimittelprüfungen vorgenommen werden, da die bereits in anderen Staaten erfolgte Prüfung nicht anerkannt bzw. bei nur geringfügig variierenden Heilmitteln keine vereinfachte Registrierung zugelassen wird. Über die moralische Zulässigkeit medizinischer Tierversuche sind sich jedoch selbst Tierethiker nicht einig.
Zu den Fragen, ob tierliches gegen menschliches Leben abgewogen werden darf und sich eine Leidenszufügung in Tierexperimenten mit dadurch eventuell verhinderten menschlichen Leiden rechtfertigen lässt, bestehen verschiedenste philosophische Positionen, die an dieser Stelle nicht alle wiedergegeben werden können. Im Gegensatz zu früheren Zeiten gab es im 20. Jahrhundert einige Philosophen, die Tierversuche unter moralischen Gesichtspunkten generell ablehnen, selbst wenn sie dem Menschen einen Vorteil bringen. Unter ihnen finden sich beispielsweise Albert Schweitzer, Max Horkheimer, Gotthard M. Teutsch, Tom Regan (jedoch nur bezüglich Versuchen mit Säugetieren), Otfried Höffe, Ursula Wolf und Jean-Claude Wolf.