1964年建院初期，我国著名病理学家梁伯强指派陈灼怀筹建和主持肿瘤医院病理室。科室有业务技术人员3人，开展常规肿瘤病理诊断工作，为病理学科的发展打下了良好基础。1978年陆献瑜调入肿瘤医院，任病理室主任。创办全国肿瘤病理进修班，编写临床病理电化教材。医务人员增加至6人，病理诊断和科研工作得到了长足发展。1986年，肿瘤医院病理室与肿瘤研究所病理室合并成立了病理科，冯本澄任主任，率先开展了电镜在肿瘤病理诊断中的应用，使病理诊断精确至亚细胞水平。1994年，林汉良任病理科主任。进一步加强与院外同行包括中山医科大学病理教研室间的人员和业务交流与合作，逐步开展了免疫组化技术在临床病理诊断中的应用，科室病理诊断水平显著提高。2000年，吴秋良任病理科主任，积极推动开展分子病理检测服务，2007年获得卫生部临检中心颁发的临床基因扩增实验室技术验收合格证书，技术水平和检测项目数量逐年提高。2010年成为广东省卫生厅住院医师培训基地。2012年，分子病理从病理科中分离出来，成为“分子诊断科”。2015年成为国家住院医师规范化培训基地。