2003年，蓋茨的基金髮起了一個叫做“人類健康面臨的挑戰”的工程。透過網站和更多的傳統渠道在發展中國家和發達國家投放了大量的廣告，詢問科學家們一個問題：當前對人類最大的挑戰是什麼？如果科技工作者關注到這些問題並解決了它們，那幾十億陷入“嬰兒高死亡率、預期壽命下降和疾病”惡性迴圈的人群的命運是否能顯著地發生改變？
基金會最後從來自80多個國家的數千名科學家（其中包括諾貝爾獎獲得者）那裡得到了多達8000多頁的方案。經過整理和篩選，這些方案最後被總結成為人類面臨的重大健康問題。
2003年的秋天，基金在全世界公佈了人類面臨的這些挑戰，它們是：
1.如何製造出嬰兒一出生就可以使用的有效的單劑量疫苗？
2.如何製造出不需要冷藏的疫苗？
3.如何製造出不採用針頭注射方式的疫苗？
4.怎樣更準確地瞭解到哪一種免疫反應真正提供了保護性免疫？
5.怎樣更有效地控制傳播病原體的昆蟲？
6.如何透過基因或化學方法制造出消滅傳播疾病昆蟲的藥劑？
7.如何培育出能夠提供人類需要的所有營養的單一植物物種？
8.如何製造出治療慢性病的免疫療法？
而隨後不到一年的時間裡，蓋茨基金收到了來自75個國家的10000名科學家提交的1600條針對這些問題的解決方法。基金資助了43筆款項，投入現金4.36億美元。
其中，自2009年起，國家衛健委與蓋茨基金會合作開展了“中蓋結核病防治專案”，以提升中國結核病的防控質量。此次研討會旨在探討專案開展十年來取得的進展與經驗，並呼籲進一步推廣創新型的結核病綜合防治模式，以支援“健康中國2030” 計劃，加速實現2030年終止結核病流行的可持續發展目標。雙方還簽署了《中國國家衛生健康委員會與比爾及梅琳達·蓋茨基金會關於結核病防治合作的諒解備忘錄》。蓋茨基金和北京市政府以及清華大學三方聯合成立了全球健康藥物研發中心。針對結核病、瘧疾等重大傳染病進行新藥研發，建立具有開創性的藥物研發和應用轉化平臺，為促進中國和全球貧困人群的健康做貢獻。 與中國政府、私營部門和全球衛生合作伙伴一起發現、研發並交付高質量、可負擔的衛生產品，這些衛生產品包括乙腦疫苗、滅活脊髓灰質炎疫苗、防治宮頸癌的人乳頭瘤病毒（HPV）疫苗以及治療瘧疾的青蒿素綜合療法，等等。
而2020年1月，正當武漢疫情處在持續爆發階段，蓋茨基金會宣佈提供500萬美元支援中國抗擊新冠病毒疫情。據當時報道，蓋茨基金會正在與國家衛生健康委員會和中國疾病預防控制中心、國家自然科學基金委員會、中國科學院下屬相關研究所、廈門大學和國藥集團中國生物技術股份有限公司等政府部門、研究機構和企業開展討論，並緊急調動基金會的全球資源和專家網路，在病毒傳播模式、流行病學、應急干預應對、新型guan狀病毒的即時檢驗試劑、治療藥物及疫苗研發等領域提供資金、技術和國際合作的支援。
