中國人民解放軍總醫院前身是中國協和醫學院第二臨床學院，1953年10月，總后方勤務部衛生部決定將“中國協和醫學院第二臨床學院”改為“軍委直屬機關醫院”。
1954年7月，總后方勤務部衛生部將“軍委直屬機關醫院”改為“中國人民解放軍第三〇一醫院”。
1957年6月，國防部批示“中國人民解放軍第三〇一醫院”番號撤銷，改稱為“中國人民解放軍總醫院”。
軍醫進修學院是以解放軍總醫院為依托建設和發展起來的，始建于1958年11月，1962年停辦。
1979年6月，經中央軍委批準恢復軍醫進修學院。
1986年9月批準正式列入全軍院校編制序號。
2004年全軍整編將三〇四醫院更名為三〇四臨床部，對外稱解放軍總醫院附屬醫院，列入解放軍總醫院編制序列。
2009年2月，解放軍總醫院與海南省正式簽訂共同建設海南分院戰略合作協議，拉開了總醫院歷史上跨地域、整建制異地辦院的序幕；
2009年8月，海南分院在三亞海棠灣破土動工；
2009年8月，解放軍總醫院第二附屬醫院（原309醫院）完成轉隸移交，隸屬總參謀部領導，更稱呼為解放軍總參謀部總醫院。
2011年12月，38.3萬平方米的現代醫療城竣工并投入試運行；
2012年6月9日，解放軍總醫院海南分院正式開診運行。
在中心主任陳香美院士的領導下，建立了臨床研究、項目支持、公共服務和交流推廣等平臺，建成具有國際規模的腎臟疾病臨床信息數據庫和生物樣本資源庫，聯合全國500余家單位構建腎臟疾病臨床協同研究網絡，覆蓋全國90%的地級市。針對我國主要疾病負擔的IgA腎病、糖尿病腎病、老年腎臟病等常見慢性腎臟病以及急性腎損傷和尿毒癥患者血液凈化，從疾病危險因素、預警、診斷、和醫療質量改進多個層面，建立多中心、大樣本、長期穩定隨訪的研究隊列，組織開展大規模、多中心、高質量的臨床診療研究，已成為臨床新技術、藥品器械研發與評價的創新基地，帶動我國慢性腎病防治整體水平的提升。
2019年在科技部組織的首次績效評估中，國家慢性腎病臨床醫學研究中心成績為“”。
國家老年疾病臨床醫學研究中心（解放軍總醫院）是由國家科技部、衛生健康委員會、軍委后勤保障部和原食品藥品監督管理總局于2016年7月聯合批準建設的第三批國家臨床醫學研究中心，主任為老年醫學專家范利教授，中心依托解放軍總醫院第二醫學中心老年醫學部主管主建，擁有集國家重點學科、國家臨床醫學研究中心、國家臨床重點專科（軍隊建設項目）、北京市及全軍重點實驗室、全軍保健人員培訓基地“五位一體”的老年醫學優勢學科群，連續5年蟬聯全國老年醫學專科，涌現出一批德高望重、造詣精深的老年醫學大家，已建成體系完整、人才接續的學科體系。
2019年7月由科技部、國家衛生健康委、軍委后勤保障部和原食品藥品監管總局正式批準依托解放軍總醫院第五醫學中心成立國家感染性疾病臨床醫學研究中心。研究中心整合國內79家協作醫院，針對慢性乙肝、慢性丙肝、艾滋病及其相關疾病等病種，建立病程涵蓋臨床各個階段的大隊列，同時建立標準化的生物樣本庫、臨床診療信息庫及的疾病發病追蹤系統，形成涵蓋重大感染性疾病及各個病程的資源平臺，終建立我國規范的病毒性肝炎、艾滋病臨床大數據及生物樣本庫整合平臺，形成專業的管理團隊，為建立符合我國人群特點的肝病、艾滋病診療體系提供重要戰略性資源。
