Nghiên cứu khoa học gặp nhiều khó khăn trong việc thử nghiệm tinh dầu vì nhiều lý do.
Trước tiên, không thể đưa ra bất kỳ tuyên bố chung nào về hiệu quả của các loại tinh dầu trong việc chống lại vi sinh vật, bởi vì hiện nay có hơn 100 loại tinh dầu khác nhau trên thị trường. Tinh dầu được chiết xuất hoặc ép từ hoa, lá, thân, vỏ cây, thân gỗ, và nhựa cây, mỗi loại đều có thành phần hóa học riêng. Ngay cả tinh dầu từ một loài cây cụ thể cũng có thể khác nhau: ví dụ, tinh dầu được chưng cất từ hoa oải hương không giống với tinh dầu chưng cất từ lavandin, vì chúng là hai giống cây khác nhau thuộc cùng một họ thực vật.
Thứ hai, tinh dầu được gắn nhãn từ cùng một loài cây có thể đến từ các khu vực địa lý khác nhau. Oải hương được thu hoạch từ một trang trại ở Albuquerque, New Mexico, có thể không có các đặc tính giống như oải hương được trồng ở Provence, Pháp. Sự khác biệt về thành phần đất, phân bón và kỹ thuật nông nghiệp có thể làm thay đổi cấu trúc hóa học của tinh dầu.
Sự phức tạp trong thành phần của mỗi loại tinh dầu cũng tạo ra thách thức cho nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Một chai tinh dầu oải hương có thể có thành phần hóa học khác với một chai khác, ngay cả khi chúng đến từ cùng một nhà cung cấp. Cây được thu hoạch và xử lý vào buổi sáng có thể khác biệt đôi chút so với cây được thu hoạch vào đêm hôm trước. Các thành phần sẽ giống nhau, nhưng nồng độ của chúng có thể thay đổi.
Hiệu quả của tinh dầu thường khác nhau giữa các nghiên cứu, vì loại tinh dầu được sử dụng trong mỗi nghiên cứu có thể khác nhau đáng kể. Không có quy định liên bang nào về những gì thực sự có trong mỗi chai tinh dầu, khiến các nhà khoa học gặp khó khăn trong việc đảm bảo rằng tinh dầu mà họ thử nghiệm trong phòng thí nghiệm ở California giống như loại được thử nghiệm ở Ấn Độ. Việc tái tạo kết quả từ nghiên cứu này sang nghiên cứu khác trở thành một rào cản lớn đối với sự thành công.
Các nhà nghiên cứu cũng gặp khó khăn đặc biệt trong việc tiến hành các nghiên cứu mù với các chất có mùi hương. Mùi hương kích thích cảm xúc và ký ức, vì vậy nếu một nhóm được thử nghiệm bằng tinh dầu oải hương và nhóm đối chứng được thử nghiệm bằng một mùi hương khác, mùi hương thứ hai có thể vô tình gợi lên một ký ức hoặc tạo ra phản ứng cảm xúc ở đối tượng trong nhóm đối chứng. Nếu nghiên cứu liên quan đến khả năng nhận thức hoặc phản ứng cảm xúc với mùi hương, ký ức ngẫu nhiên có thể làm sai lệch kết quả nghiên cứu. Mặt khác, nếu nghiên cứu nhằm mục đích kiểm tra giá trị trị liệu thực thể của oải hương, nhóm đối chứng có thể được thử nghiệm bằng một mùi hương thay thế không có tác động tích cực hay tiêu cực nào đối với cơ thể. Điều này có thể hoặc không dẫn đến kết quả tính toán được.
Cho đến nay, hầu hết các nghiên cứu chỉ dừng lại ở giai đoạn I: trong ống nghiệm (thử nghiệm trên mô hoặc vi sinh vật), để xác định tác động của tinh dầu; hoặc giai đoạn II: trên động vật thí nghiệm. Một vài nghiên cứu đã được thực hiện trên người, nhưng chỉ với số lượng nhỏ người tham gia, không đủ để đáp ứng tiêu chuẩn của giai đoạn III – thử nghiệm mù đôi trên quy mô lớn, thường được áp dụng cho thuốc hoặc vắc xin. Những nghiên cứu này quá nhỏ để tạo ra kết quả có ý nghĩa thống kê, nên phát hiện của chúng thường được coi là thú vị nhưng chỉ mang tính chất giai thoại. Hiện tại, những nghiên cứu tốt nhất liên quan đến việc tổng hợp nhiều nghiên cứu nhỏ, kết hợp tất cả các nghiên cứu trên toàn thế giới và thực hiện phân tích tổng hợp để đưa ra kết luận. Những bài báo như vậy thường tiết lộ các mối tương quan mà các nghiên cứu đơn lẻ không thể nhìn thấy.
Một bài đánh giá vào năm 2019 về nhiều nghiên cứu, được xuất bản trong số tháng 6 của tạp chí Molecules có bình duyệt, đã xác định rằng mặc dù nhiều loại tinh dầu thể hiện tính chất kháng khuẩn đối với nhiều loại bệnh và nhiễm trùng, nhưng thành công của một loại tinh dầu không thể áp dụng chung cho các loại khác cùng loài. Ví dụ, có hơn 400 loài cỏ xạ hương, và mặc dù một số loài đã thể hiện hiệu quả tốt trong ống nghiệm (chưa thử nghiệm trên người) đối với virus như herpes simplex và cúm H1N1, cũng như vi khuẩn Gram dương và Gram âm, chỉ có một số loài cỏ xạ hương cụ thể có khả năng này. Kết quả như vậy có thể bị các kênh bán hàng không trung thực lợi dụng để lừa gạt công chúng tin rằng tinh dầu cỏ xạ hương của họ – dù có phải là loài đúng hay không – sẽ giúp họ chống lại các loại virus và vi khuẩn này. Sẽ cần thêm thời gian để có đủ nghiên cứu nhằm xác định loài đúng, khả năng của ngành công nghiệp sản xuất số lượng lớn nó, cũng như liều lượng và phương pháp sử dụng để có thể biến bất kỳ loại tinh dầu cụ thể nào thành một dược phẩm thương mại.
Điều này dẫn đến thách thức lớn nhất trong nghiên cứu khoa học về tinh dầu: ai sẽ chi trả cho việc nghiên cứu, và các kênh tài trợ thông thường – các công ty dược phẩm – chưa có nhiều sự quan tâm đến việc này. Vì tinh dầu là các chất tự nhiên, chúng không thể được cấp bằng sáng chế như các loại thuốc độc quyền. Điều này hạn chế khả năng của các công ty dược phẩm lớn trong việc kiếm lợi nhuận từ chúng ở dạng tinh khiết. Nếu nghiên cứu hạn chế hiện tại mang lại kết quả tích cực, các công ty dược phẩm có thể sẽ tìm cách kết hợp tinh dầu với các sản phẩm khác để tạo ra loại thuốc có thể được cấp bằng sáng chế. Điều này có thể thúc đẩy quá trình nghiên cứu tiếp theo.
Tinh dầu đã được sử dụng trong hàng ngàn năm, vì vậy các nhà nghiên cứu thường muốn rút ngắn con đường thử nghiệm để tìm ra hiệu quả của chúng trên người – nghĩa là bỏ qua bước thử nghiệm trong ống nghiệm và trên động vật để chuyển ngay sang thử nghiệm trên người. Điều này khiến các nguồn tài trợ truyền thống như Viện Y tế Quốc gia (NIH) dè dặt, vì họ ưu tiên tài trợ cho nghiên cứu tuân theo các hướng dẫn tiêu chuẩn bất kể chất đang được thử nghiệm là gì. Các nghiên cứu đề xuất sẽ bị bỏ rơi nếu các nhà nghiên cứu không thể có được nguồn vốn cần thiết để tiến hành, và vì thế, tinh dầu trở thành những đứa con bị bỏ rơi trong lĩnh vực nghiên cứu y học.