中国人民解放军总医院前身是中国协和医学院第二临床学院，1953年10月，总后方勤务部卫生部决定将“中国协和医学院第二临床学院”改为“军委直属机关医院”。
1954年7月，总后方勤务部卫生部将“军委直属机关医院”改为“中国人民解放军第三〇一医院”。
1957年6月，国防部批示“中国人民解放军第三〇一医院”番号撤销，改称为“中国人民解放军总医院”。
军医进修学院是以解放军总医院为依托建设和发展起来的，始建于1958年11月，1962年停办。
1979年6月，经中央军委批准恢复军医进修学院。
1986年9月批准正式列入全军院校编制序号。
2004年全军整编将三〇四医院更名为三〇四临床部，对外称解放军总医院附属医院，列入解放军总医院编制序列。
2009年2月，解放军总医院与海南省正式签订共同建设海南分院战略合作协议，拉开了总医院历史上跨地域、整建制异地办院的序幕；
2009年8月，海南分院在三亚海棠湾破土动工；
2009年8月，解放军总医院第二附属医院（原309医院）完成转隶移交，隶属总参谋部领导，更称呼为解放军总参谋部总医院。
2011年12月，38.3万平方米的现代医疗城竣工并投入试运行；
2012年6月9日，解放军总医院海南分院正式开诊运行。
2019年7月由科技部、国家卫生健康委、军委后勤保障部和原食品药品监管总局正式批准依托解放军总医院第五医学中心成立国家感染性疾病临床医学研究中心。研究中心整合国内79家协作医院，针对慢性乙肝、慢性丙肝、艾滋病及其相关疾病等病种，建立病程涵盖临床各个阶段的大队列，同时建立标准化的生物样本库、临床诊疗信息库及的疾病发病追踪系统，形成涵盖重大感染性疾病及各个病程的资源平台，终建立我国规范的病毒性肝炎、艾滋病临床大数据及生物样本库整合平台，形成专业的管理团队，为建立符合我国人群特点的肝病、艾滋病诊疗体系提供重要战略性资源。
在学科带头人陈香美院士带领下，肾脏病医学部1993年获批硕士学位授予点，1998年获批博士学位授予点，1999年获批博士后流动站，2007年获批集内科学（肾病）国家重点学科、2008年获批内科学（肾病）北京市重点学科。是国家卫健委、北京市住院医师规范化培训基地、专科医师培训基地，国家卫健委腹膜透析培训示范中心，全军野战内科学教学基地，中华护理学会及北京市血液净化专科护士培训基地，全军重症监护专科护士培训基地。
解放军总医院第二医学中心老年医学科是国家老年疾病临床医学研究中心老年医学临床研究基地及全国老年慢性病医联体牵头单位。科室目前有正高职称人员3名，副高职称人员5名，形成覆盖老年心血管、呼吸、消化、肿瘤、神经内科等各亚专业的老年多学科团队。老年医学科以老年综合评估为核心技术，以全人全程管理为核心理念，强调多学科协作诊疗，利用可穿戴设备、5G等现代技术，形成集老年急性病救治、慢病管理、功能维护为一体的现代老年病管理模式，致力于构建高水平老年医学规培基地、专培基地、保健人才培训基地；新技术、新业务转化平台及老年病前沿基础研究平台，目前已有10余家协同网络单位派驻医护人员到该病房进修学习。科室围绕建立全国老年队列研究人群，构建高龄围手术期风险管控、老年多病共患综合管理等常见临床问题的防控技术体系，及衰老机制及规律等开展临床科研研究，作为项目牵头单位承担国家重点研发计划、国家自然科学基金等多项国家、军队级课题，总项目经费达1.2亿元。