本院成立於民國35年，其前身為臺灣陸軍八○一總醫院，組織由臺灣陸軍醫院、聯勤第五總醫院、陸海空軍第一總醫院、陸軍第一總醫院依序遞嬗而來。民國56年7月改組為「三軍總醫院」，由小南門遷建於水源地營區（汀州院區），為我國之軍醫醫療展開新紀元。
本院編制上屬國防醫學院之教學醫院，負有臨床醫療、教學與研究之責，醫療服務對象為現役軍人、軍眷及一般民眾，為衛福部評定之醫學中心級教學醫院，在國家醫療上一直扮演著非常重要的角色，平時除提供民眾醫療服務及國防醫學院學生臨床教學與實習外，戰時還負有動員支援及整合管制醫療資源的任務。
為因應醫療環境快速變遷與尋求軍醫教育整體發展，本院於民國89年遷建於內湖現址，除保留汀州院區門、急診服務外，配合國家政策陸續接收澎湖、基隆、松山、北投、臺北門診中心等五個分院，持續提供軍民最優質的醫療服務。
三軍總醫院人體生物資料庫係依據「人體生物資料庫管理條例」規定於民國103年4月8日經衛生福利部核備通過設置成立。本庫成立目的為提供醫學研究的生物檢體/資料來源及建立完整的臨床資料系統。除促進醫學發展外，希冀未來研究成果能增進人民健康福祉。