Kliničku bolnicu Sestre milosrdnice možemo smatrati kolijevkom hrvatske onkologije, poglavito radioterapije. U ovoj Bolnici je već 1905. godine, samo deset godina nakon što je Röntgen otkrio X-zrake, dr. Kurt Hühn primijenio rentgenske zrake u liječenju raka dojke što je prvi takav pristup liječenju ne samo u Hrvatskoj već i na ovim prostorima. Prva kobaltna bomba u bivšoj državi instalirana je 1958. godine, a prva gama kamera 1966. godine. Klinika je osnovana 1962. godine, a osnivač i dugogodišnji predstojnik je bio akademik Šime Spaventi kojega je 1990. godine naslijedio akademik Zvonko Kusić, a potom je od studenog 2016. predstojnik bio profesor Ante Bolanča. Od listopada 2019. predstojnica Klinike je prof.dr.sc. Ana Fröbe. Klinika se osobito isticala u dijagnostičkoj i terapijskoj primjeni radionuklida, imunoterapiji melanoma, te u dijagnostici i terapiji bolesti štitnjače pa je tu sjedište Komisije za suzbijanje gušavosti, Referentnog centra za bolesti štitnjače, Hrvatskog društva za štitnjaču i glasnika Hrvatskog društva za štitnjaču.

Odvijanje djelatnosti onkologije i nuklearne medicine u jednoj Klinici rezultat je povijesnoga razvoja što je dovelo do multidisciplinarnog pristupa dijagnostici, liječenju, praćenju i istraživanju malignih bolesti koji objedinjuje cjelokupnu skrb za onkološke bolesnike, po uzoru na suvremene ustanove u svijetu. Klinika je 4. listopada 2017. proslavila 55 godina od osnutka.

Zapošljava 148 djelatnika i to 28 liječnika (12 specijalista radioterapije i onkologije, 9 specijalista nuklearne medicine, 1 specijalist patologije i citologije, 2 specijalizanta onkologije i radioterapije, 1 specijalizant internističke onkologije i 3 specijalizanta nuklearne medicine) i 20 diplomiranih inžinjera. Doktorat znanosti ima 16 djelatnika, od kojih je 5 sveučilišnih profesora i 2 docenta.
Na kliničkom odjelu, u dnevnoj bolnici i u onkološkoj ambulanti provodi se dijagnostika, praćenje, kemoterapija, radioterapija, brahiterapija, hormonska terapija i imunoterapija bolesnika sa solidnim malignim tumorima. Uz teleradioterapiju, Klinika posjeduje i najsuvremeniji uređaj za brahiterapiju s izvorom IR-192, jedinstven u državi, za liječenje karcinoma jednjaka, bronha, nazofarinksa, cerviksa i endometrija.

Godišnje se stacionarno i u dnevnoj bolnici kemoterapija i radioterapija primjenjuje u oko 2000, a ambulantno u oko 11000 onkoloških bolesnika. U Odjelu za onkološku i laboratorijsku dijagnostiku određuju se tumorski biljezi i hormonski receptori konvencionalnim i molekulskogenetskim metodama, nužni u dijagnostici i praćenju bolesnika s malignim tumorima te se izvode morfološki i funkcijski tekstovi za procjenu opće imunosti.
Skrb uključuje i psihološku podršku onkološkim bolesnicima i njihovim obiteljima, po čemu je Klinika bila prva i jedinstvena na našim prostorima.
Vrhunska nuklearno-medicinska dijagnostika sa više od 10 000 pretraga godišnje omogućuje preciznu i neinvazivnu evaluaciju svih organskih sustava. Izvodi se tridesetak nuklearnomedicinskih dijagnostičkih postupaka, neki od njih jedini u Hrvatskoj, gotovo svi koji se izvode i u sličnim ustanovama u svjetskim centrima. Jedino u Hrvatskoj provodi se liječenje neuroendokrinih tumora i palijacija boli upotrebom radiofarmaka.
U Odjelu za bolesti štitnjače vrši se dijagnostika (klinički pregled, ultrazvučni pregled vrata, citološka punkcija, scintigrafija, hormonska i imunološka analiza seruma) i liječenje (medikamentozno i radioaktivnim jodom) bolesti štitnjače te liječenje radioaktivnim jodom, radioterapija i kemoterapija karcinoma štitnjače.
Ambulantno se godišnje liječi više od 13 000 bolesnika sa svim bolestima štitnjače a stacionarno preko 400 bolesnika uglavnom s karcinomom štitnjače. Godišnje se učini preko 70 000 laboratorijskih dijagnostičkih pretraga štitnjače u više od 12 000 bolesnika.
Izuzetni rezultati u svjetskim razmjerima postignuti su u eradikaciji poremećaja uzrokovanih nedostatkom joda. U sastavu Klinike djeluje Komisija za suzbijanje gušavosti, na čiju je inicijativu 1996. godine donešen novi pravilnik o jodiranju soli što je dovelo do eliminacije gušavosti u Hrvatskoj.
Endokrinološki laboratorijski odjel već od prije pola stoljeća, prvi na ovim prostorima provodi moderne imunološke tehnike mjerenja hormona, u svrhu dijagnostike svih endokrinoloških i metaboličkih bolesti. Laboratorij je uključen i u rad Referalnog centra za kliničku neuroendokrinologiju i bolesti hipofize.

Klinika je nastavna baza Medicinskog fakulteta (Katedra za opću kliničku onkologiju i Katedra za nuklearnu medicinu) i Stomatološkog fakulteta (Katedra za onkologiju i Katedra za imunologiju) Sveučilišta u Zagrebu. Klinika je također Referentni centar za bolesti štitnjače, Referentni centar za imunodijagnostiku i imunoterapiju solidnih zloćudnih tumora i Referentni centar za melanom (zajedno sa Klinikom za kožne i spolne bolesti).

Tu se također odvija nastava na Zdravstvenom veleučilištu, a isto se tako vrše svi drugi oblici edukacije. U Klinici su u tijeku dva znanstvena projekta odobrena od Ministarstva znanosti, nekoliko međunarodnih projekata u suradnji sa International Atomic Energy Agency (IAEA) i European Organisation for Research and Treatment of Cancer (EORTC) te niz bazičnih istraživanja i kliničkih ispitivanja. Klinika kontinuirano surađuje sa prestižnim medicinskim institucijama u kojima se educiraju i usavršavaju njezini kadrovi.
U mnogim područjima Klinika za onkologiju i nuklearnu medicinu doseže europsku razinu prateći suvremene trendove i time postavljajući najviše standarde u dijagnosticiranju i liječenju malignih bolesti i bolesti štitnjače u Hrvatskoj.