Der Ursprung der Thoraxklinik-Heidelberg ist auf das sogenannte „Rohrbacher Schlösschen“ zurück zu führen.

Erbprinz Carl August von Pfalz-Zweibrücken erbaute 1772 das Rohrbacher Schlösschen. Von Rohrbach aus konnte der passionierte Jäger an den Prunkjagden des Kurpfälzer Hofes teilnehmen. Nach dessen Tod im Jahre 1795 wurde sein jüngerer Bruder Max Joseph Herzog von Pfalz-Zweibrücken. Max Joseph schenkte nach seinem Regierungsantritt als erster König von Bayern das Anwesen seiner Schwiegermutter, der Markgräfin Amalie von Baden, die aufgrund der glänzenden Heiraten ihrer Töchter als „Schwiegermutter Europas“ in die Geschichte einging. Im Juni 1815 dinierte sie im Rohrbacher Schlösschen mit den nach dem Sturz Napoleon mächtigsten Herrschern Europas. Ihre Gäste an diesem denkwürdigen Abend waren keine Geringeren als ihr Schwiegersohn, Zar Alexander I. von Russland, und Kaiser Franz I. von Österreich.

1898 kaufte der „Verein für Genesungsfürsorge“ das Schlösschen samt Parkgelände. So verwandelte sich das einstige Jagd-Schlösschen zum Genesungsheim Rohrbacher Schlösschen welches in seiner Art die erste Anstalt in Baden war. Mit Ausbruch des 1. Weltkrieges wurde das Schlösschen  - mit dem mittlerweile vorhandenen Erweiterungsbau – zum Reservelazarett. Nach Beendigung des Krieges wurde das ehemalige Genesungsheim als Tuberkulosekrankenhaus für Kriegsbeschädigte und Kriegshinterbliebene von der Hauptfürsorgestelle Karlsruhe weitergeführt. Und da dieses Krankenhaus in zunehmenden Maße von den Versicherungsträgern auch für spezielle Heilverfahren herangezogen wurde und sich so immer mehr dem Versichertenkreis und den Bedürfnissen der damaligen LVA Baden erschloss, erfolgte konsequenterweise die Übernahme der Klinik durch die LVA Baden im Jahr 1929.

Ein Jahr vor der Übernahme des Tuberkulosekrankenhauses durch die LVA Baden wurde Prof. Dr. Albert Fraenkel (1928-1933) leitender Arzt. Im gleichen Jahr berief ihn die Universität Heidelberg als Honorarprofessor. Albert Fraenkel ging in die Geschichte der Medizin als Begründer der intravenösen Gabe von Strophanthin zur Therapie der Herzinsuffizienz ein. Fraenkels Nachfolger wurde Privatdozent Dr. Walter Schmidt (1933-1938). Der Name Walter Schmidt ist eng mit der Entwicklung der sogenannten Kollapstherapie verbunden. Bis zur medikamentösen Behandlung der Lungentuberkulose war Ruhigstellung der Lunge und Verkleinerung des infizierten Herdes das therapeutische Ziel bei dieser seuchenartigen Erkrankung der damaligen Zeit. Die Schule Walter Schmidts wurde in Rohrbach weitergeführt von seinen Nachfolgern Prof. Dr. Ludwig Adelberger (1939-1946), Dr. Ludwig Theis (1946-1947) und Prof. Dr. Dr. Gaubatz (1947-1972). Nachfolger von Prof. Dr. Dr. Gaubatz als Ärztlicher Direktor wurde Prof. Dr. Ingolf Vogt-Moykopf, dessen Amtszeit von 1972 bis 1996 währte. Prof. Dr. Vogt-Moykopf entwickelte und perfektionierte chirurgische Techniken zur Behandlung des Lungenkrebses. Um den Patienten die Pneumonektomie (Entfernung eines ganzen Lungenflügels) zu ersparen, welche mit einem erheblichen Verlust an Lebensqualität einhergeht, führte Prof. Dr. Vogt-Moykopf organsparende Resektionsverfahren durch die sog. Manschettenresektion an Bronchus und Lungengefäßbaum bis hin zur Lappentransplantation ein. Weitere Schwerpunkte der Tätigkeit von Prof. Dr. Vogt-Moykopf bildeten die Chirurgie von Metastasen anderer Primärtumore in die Lunge und den Brustkorb sowie die Chirurgie des besonders bösartigen Pleuramesothelioms (Asbestkrebs).

Als Nachfolger von Herrn Prof. Dr. Vogt-Moykopf führte Prof. Dr. Peter Drings als Ärztlicher Direktor in den Jahren 1996 – 2005 die Entwicklung der Klinik zu einem international anerkannten Zentrum für Diagnostik und Therapie von Erkrankungen der Thoraxorgane fort. Als wesentliche Voraussetzung für den Erfolg erwies sich die Bereitschaft zur Kooperation innerhalb der verschiedenen klinischen Abteilungen und Funktionsbereiche und darüber hinaus mit externen Partnern, besonders dem Tumorzentrum Heidelberg-Mannheim, dem Universitätsklinikum Heidelberg sowie mit Kliniken und Forschungseinrichtungen im In- und Ausland.

Nachfolger von Herrn Prof. Dr. Vogt-Moykof in der Funktion des Chefarztes der Thoraxchirurgie wurde 1996 Prof. Dr. Hendrik Dienemann, der 2005 auch die Ärztliche Direktion der Klinik übernahm. Während der Tätigkeit von Herrn Prof. Dr. Dienemann als Chefarzt der Thoraxchirurgie konnte die Abteilung mit einer Eingriffszahl von ca. 2.300 pro Jahr zur größten Spezialabteilung für Thoraxchirurgie in Deutschland ausgebaut werden. 

Im Verlauf der letzten 25 Jahre entwickelte sich die Thoraxklinik-Heidelberg, die über 310 Planbetten verfügt, von einer ehemaligen Tuberkulose-Spezialklinik zu einem Krankenhaus der Maximalversorgung von überregionaler Bedeutung. In der Klinik werden Patienten mit Erkrankungen der Lunge, des Mediastinums, der Pleura, der Brustwand und der angrenzenden Regionen behandelt. Sie ist einer der Partner des Nationalen Centrums für Tumorerkrankungen (NCT) und arbeitet eng mit der Universitätsklinik Heidelberg sowie dem Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) zusammen. Dadurch ist eine moderne Diagnostik und Therapie für Patienten mit bösartigen Lungenerkrankungen, die ca. die Hälfte des Krankengutes ausmachen, gewährleistet.

Seit 1999 wird die Thoraxklinik-Heidelberg in der Rechtsform einer gemeinnützigen GmbH geführt. Alle für ein Krankenhaus der Maximalversorgung typischen Abteilungen wurden in der Thoraxklinik geschaffen. Die Klinik verfügt daneben über spezielle Funktionslaboratorien für die biochemische, immonologische, kardio-respiratorische und pathologisch-anatomische Diagnostik.

Die Chefärzte der Abteilung Chirurgie, Prof. Dr. Dienemann, und Innere Medizin-Onkologie, Prof. Dr. Thomas, bekleiden gleichzeitig eine C4-Professur an der Universität Heidelberg, wodurch der wissenschaftliche Austausch befördert wird. Auf diesem Wege wird neben der Erfüllung ihrer Aufgaben in Forschung und Lehre auch die klinische Zusammenarbeit intensiviert. Die Abteilung Pneumologie und Beatmungsmedizin wird von dem stv. Ärztlichen Direktor Prof. Dr. Herth geleitet, der ebenfalls sehr eng in Forschung und Lehre, insbesondere in Zusammenarbeit mit der Medizinischen Univ. Klinik III, eingebunden ist.

Ein Schwerpunkt der klinischen Forschung lag in den vergangenen Jahren in der Weiterentwicklung der interdisziplinären Behandlung des Lungenkarzinoms, der chirurgischen Behandlung von Lungenmetastasen, der Entwicklung von neuen Verfahren in der Endoskopie und Brachytherapie sowie in der Verbesserung der antineoplastischen Chemotherapie. Neben diesen Schwerpunkten werden vermehrt Studien auch auf dem Gebiet der chronisch obstruktiven Atemwegserkrankungen angeboten, insbesondere in der Behandlung des Emphysems.

Das im Jahr 2004 neu gegründete NCT Heidelberg (Nationales Centrum für Tumorerkrankungen) bietet darüber hinaus die Chance, klinisch-onkologische und wissenschaftliche Aktivitäten zu bündeln. Das NCT ist eine Modelleinrichtung, getragen vom Deutschen Krebsforschungszentrum, Universitätsklinikum Heidelberg, Thoraxklinik-Heidelberg sowie der Deutschen Krebshilfe. Folgerichtig wurde an der Thoraxklinik die wöchentliche Operationskonferenz zu einem Tumorboard erweitert, in das neben den Disziplinen der eigenen Klinik auch die Strahlenklinik der Universität eingebunden ist

Als eine der führenden Lungenfachkliniken Deutschlands und als ausgewiesenes Kompetenzzentrum sieht sich die Thoraxklinik in besonderem Maße zur Qualität verpflichtet. Diesem Gedanken folgend konnte Anfang des Jahres 2009 sowohl die KTQ-Zertifizierung (Kooperation für Transparenz und Qualität im Gesundheitswesen) als auch die Zertifizierung als Lungenkrebszentrum des NCT Heidelberg erfolgreich abgeschlossen werden.