Ergebnisse der Grundlagenforschung haben in den vergangenen 2 Jahrzehnten die molekulare Heterogenität von Tumorerkrankungen aufgezeigt. Durch die Entwicklung neuer Technologien in den letzten 5 bis 10 Jahren war es möglich, eine Vielzahl von krebsauslösenden Veränderungen im Genom von Tumorzellen zu beschreiben, die letztlich zur malignen Transformation normaler Zellen führen. Die bisher meistens enttäuschenden Ergebnisse in der medikamentösen Behandlung von Tumorerkrankungen mit „zielgerichteten“ Wirkstoffen verdeutlichen, wie schwierig es infolge komplexer genetischer Veränderungen in Tumorzellen ist, Patienten den richtigen Wirkstoff in angemessener Dosierung und zum richtigen Zeitpunkt zu verordnen. Dieser Übersichtsartikel, der auf Expertenwissen und aktuellen Übersichtsarbeiten zum Thema basiert, beschreibt zunächst die genetische Heterogenität von Tumorerkrankungen – ein wesentlicher Grund für die nur langsame Umsetzung grundlagenwissenschaftlicher Erkenntnisse in besser wirksame Therapiestrategien in der Onkologie – und Ziele von Biomarkern in Zusammenhang mit der stratifizierenden medikamentösen Therapie. Anschließend wird auf die zunehmende Bedeutung von prognostischen bzw. prädiktiven Biomarkern für stratifizierende Therapiestrategien in der Onkologie eingegangen. Ferner werden Empfehlungen für die (prä)klinische Evaluierung von Biomarkern sowie geeignete klinische Studiendesigns für die Validierung prädiktiver Biomarker vorgestellt.