Формирование онкологической службы в Ростове-на-Дону началось с организации 1 апреля 1928 года Краевого рентгенорадиологического отделения. Спустя два года было принято решение преобразовать отделение в Краевой Рентгенорадиологический онкологический институт. Инициатором стал Пётр Иванович Бухман, который является родоначальником борьбы с онкологией на Дону.

Первоначально институт располагался на территории Николаевской городской больницы. Был развернут стационар на 50 коек, операционная, перевязочная, лаборатории, подсобные службы. Под лаборатории была отведена одна комната, в которой теснились паталогоанатомическая, клинико-диагностическая и биохимическая лаборатории.

На время войны институт свою работу прекратил. В 1943 году, после освобождения Ростова, был организован онкопункт в Центральной городской больнице. Позже он стал клинической и научной базой Ростовского областного Научно-исследовательского института рентгенологии, радиологии и онкологии.

В 1951 году у института появилась своя база в Нахичевани. Там разместились клиника на 60 коек, поликлиника, организационно-методический и экспериментальный отделы. К 1982 году коечный фонд клиники вырос до 465 коек; Институт проводил множество хирургических операций. Институт развивался и рос к 2010 году было построено и реконструировано 11 корпусов и созданы новые отделения. Коечный фонд института является одним из самых больших в России.

В 2010 году началась модернизация научной деятельности института, обновлена материально-техническая база РНИОИ. В институте проведен капитальный ремонт, создан лабораторно-диагностический центр, открыто несколько научно-экспериментальных лабораторий. В том числе лаборатория молекулярной онкологии с биобанком, испытательный лабораторный центр с виварием, лаборатория клеточных технологий.

В 2020 году институту был присвоен новый статус и название — Национальный медицинский исследовательский центр онкологии (ФГБУ «НМИЦ онкологии» Минздрава России).