医院前身是“中比镭锭治疗院”,于1931年3月1日正式成立。1937年10月,圣心医院和中比镭锭治疗院暂时迁到法租界齐祈路45号(今岳阳路45号)。1938年9月迁到霞飞路1729号。1939年6月中比庚款委员会将镭锭治疗院无偿转交给比利时驻华医学会。1940年1月,比利时驻华医学会又将中比镭锭治疗院的管理委托给天主教会,由圣方济合会安排该会修女掌管治疗院,宋梧生仅保留“医学顾问”的名义。1945年9月,汤于瀚辞职,国民党卫生部代表和比利时驻华医学会代表联席会议决定聘请放射科医师徐惊伯为院长。1946年,比利时驻华医学会将中比镭锭治疗院交给国民党政府,并由卫生署派金宝善医师主持镭锭治疗院管理委员会工作。1947年,医院增添了深度X线治疗机、菲利浦X线诊断机、菲利浦接触式X线治疗机,同年10月,因徐惊伯院长应邀赴美访问,由理事会出面聘请吴桓兴为医务院长,直到1949年5月上海解放。1950年2月上海市军管会接管了中比镭锭治疗院。1951年7月中比镭锭治疗院更名为上海镭锭治疗院。1954年1月起,上海镭锭治疗院划归到上海第一医学院并定名为上海第一医学院肿瘤医院。1960年医院迁到东安路270号。1968年,上海第一医学院肿瘤医院又划归为上海市卫生局更名为上海市肿瘤医院。次年上海市肿瘤防治办公室设于医院内,开展了防癌宣传,并于1970年建立启东肝癌现场防治基地。1987年上海市抗癌协会成立并挂靠在医院。2000年上海医科大学并入复旦大学成为复旦大学上海医学院,肿瘤医院也成为当时复旦大学8所附属医院中的一所。