Va ser al laboratori químic Noyes de la Universitat d'Illinois als anys quaranta els químics Roger Adams, Madison Hunt i JH Clark per primer cop aïllats del cannabidiol (CBD). Abans dels seus experiments, el cannabinol (CBN) era l’únic cannabinoide descobert a la planta de cànnabis. Els científics havien trobat el CBN en mostres de hash de l'Índia, i era exactament aquest compost que els químics buscaven en cànem salvatge a Minnesota. El tret de cànem superior es va extreure amb etanol i es va destilar en un laboratori. El producte es va convertir en un oli vermellós. Els científics es mostraven commocionats al no trobar cap CBN, però al mateix temps, les seves proves de qualitat van demostrar que hi havia altres compostos residuals (fenols) al petroli vermell. Posteriorment, es va revisar un gran nombre de proves de qualitat per definir l'estructura del CBD. Roger Adams es va preguntar si hi hagués compostos estructuralment relacionats en CBN i CBD, en cànnabis. Ha resultat correcte, ja que moltes connexions, incl. THC, posteriorment extret i caracteritzat de la planta de cànnabis. Segons la Unió Internacional i la Química Pura i Aplicada (IUPAC), el nom químic del cannabidiol és 1940 - [(2R, 1R) -6-metil-3-prop-6-en-1-ylcyclohex-2-en-2-yl] -1-pentilbenceno-5-diol. Aquest nom és (a més de ser un gran boquet) la descripció precisa de l'estructura química del cannabidiol, ja que descriu tots els grups funcionals de l'estructura del cannabidiol.


Els cannabinoides es produeixen de dues maneres; el mètode policètid (origen de l'àcid tòlic de l'oliva) i el mètode MEP plastid (origen del geranil pirofosfat). Un enzim anomenat geranil pirofosfat: olivetolat geraniltransferasa catalitza la reacció entre el geranil pirofosfat i l'àcid olivetòlic per produir àcid cannabigeròlic (CBGA). Una òxid ciclasa anomenada CBDA sintasa fa una ciclació oxidativa estereoespecífica sobre CBGA per fer CBDA. El CBDA es descarboxila posteriorment per fer CBD. Això passa en part a la planta, així com part del procés de fabricació durant la producció de CBD.
Krejčí i Šantavý, a la Universitat Palacky 'd'Olomouc, Txecoslovàquia, van trobar que un extracte d'alcohol d'una planta de cànnabis mostrava una activitat antibacteriana. Posteriorment van demostrar que la molècula que va crear l’activitat antibacteriana era l’àcid cannabidiòlic (CBDA), el precursor del CBD. Aquest va ser el primer àcid cannabinoide descobert a la planta de cànnabis, i això va obrir el camí per comprendre, per la via biosintètica que passen els cannabinoides, tal com tenim avui en dia.
Els dos grups hidroxals de la CBD li permeten actuar com a enllaçador i acceptor de l’hidrogen. Tot i això, no hi ha prou polaritat en la molècula per dissoldre's en entorns neutres per a la polaritat, com ara l'aigua. Afortunadament, la CBD és soluble en diòxid de carboni líquid, que és un dissolvent ecològic que s’utilitza sovint en la fabricació de CBD. El punt de fusió del CBD és de 66 graus centígrads i, per tant, la CBD es cristal·litza i sòlida a temperatura ambient. El punt d’ebullició és de 180 graus centígrads per a la CBD i el punt d’ebullició per a THC és de 157 graus centígrads. A causa de les altes temperatures de fusió i ebullició, la temperatura d'evaporació és increïblement elevada (significativament superior als 180 graus centígrads), la qual cosa és rellevant per a aquells usuaris que prefereixen prendre CBD com a forma gasosa pels pulmons.
El cannabidiol absorbeix la llum a la regió ultraviolada i té una absorció màxima a 275 i 209 nm. Els àpeps són característics dels compostos fenòlics i, com que la CBD és un compost terpenepenòlic, té una absorció màxima de llum exactament en aquests punts. Quan s’exposa a la llum, un electró canviarà la seva posició del circuit molecular més ocupat (HOMO) al circuit molecular més baix ocupat (LUMO). Com que la CBD té dos pics a l’espectre UV, dos electrons canviaran les seves posicions. L'energia obtinguda en els dos electrons és proporcional a la longitud d'ona de la llum, segons el càlcul del físic teòric Max Planck.
El color de qualsevol objecte està determinat per la longitud d’ona de la llum que l’objecte absorbeix, transmet i reflecteix més important. Com que els cristalls de CBD puros són blancs, es pot deduir que la CBD pot reflectir tots els colors de l’espectre de la llum (400nm a 700nm). Això es coneix perquè es tracta d’una combinació de totes les longituds d’ona de la llum.


El 1974, dos científics cannabinoides destacats Arnon Shani i Raphael Mechoulam van aïllar dues molècules anomenades àcid cannabielsoic A (CBEA-A) i àcid cannabielsoic B (CBEA-B) del haxix. Mitjançant més experimentacions, van poder deduir que aquests compostos es van crear mitjançant la ciclització oxidativa de CBDA, una reacció activada per la llum. A més, a mesura que passava el temps i la planta de cànnabis estava exposada a llum d’intensitat superior, la CBDA es va degradar a CBEA-A o CBEA-B. Aquestes degradacions creen cannibelsoïna cannabinoide (CBE) per descarboxilació. El CBE es va identificar com a metabòlit CBD arran d'un experiment amb cobai, però des d'aleshores no s'ha realitzat cap activitat farmacològica.