1963년 방사선의학연구소로 출범해 1973년 원자력병원으로 개편되었고, 2007년 과학기술부 직속으로 새롭게 출범한 한국원자력의학원 산하 원자력병원으로 개편되어 현재에 이르고 있다.
정부 출연기관인 원자력병원은 코발트치료기를 도입하여 국내최초 방사선 암치료를 시작한 이후, 국내최초 사이버나이프 수술 시행에 이르기까지 방사선을 이용한 암전문 병원으로서 대한민국 암환자 치료의 신기원을 이어가고 있다.
50여 년 간 축적된 암 진료 노하우를 바탕으로 호발암센터를 운영하고 있으며, 실력 있는 암 전문 의료진이 협진체제를 구축하여 환자 개개인에게 특화된 맞춤 진료 서비스를 제공한다. 또한, 다양한 의료관련 정부 공인인증을 획득하여 의료의 질과 환자안전 수준에 있어 최고의 의료기관으로 인증을 받았다.
분자 암 연구, 방사선 인체 영향 연구 등 첨단 치료기법을 위한 다양한 기초연구와 융합연구도 수행하고 있으며, 국제 임상연구 주관 등 첨단 연구 성과를 바탕으로 암 치료성적의 꾸준한 향상을 이루어내고 있다.