上海市同仁医院的前身之一——上海市长宁区同仁医院，创建于清同治五年(1866年)，美国圣公会传教士汤蔼礼牧师使用慈善捐款与华人牧师吴虹玉共同在今塘沽路大名路转角处建立“同仁医局”。1867年扩大规模，建立病房及手术室，更名为“同仁医馆”。 1880年，正式定名为“同仁医院”，1882年，同仁医院成为圣约翰书院医学院(上海交通大学医学院前身)的教学基地，成为当时中国首屈一指的、兼具医疗和教育功能的综合性医院。1904年，医院已拥有国内最先进的手术室、实验室、x光机等先进医疗设备和国内第一辆救护车，成功开展了上海第一例眼科手术、卵巢切除手术和植皮术，成功治愈第一例精神失常病例和截瘫病例，医疗技术享誉沪上。解放后，医院由上海市人民政府接管，并于1957年划归长宁区成为长宁区同仁医院。1978年迁址于今天的愚园路786号。2006年，与上海交通大学附属仁济医院合作，成为该院的分院。
上海市同仁医院的另一个前身——上海市长宁区中心医院，是上海西区一所集医、教、研、防于一体的二级甲等综合性医院，长宁区的区域医疗中心。医院始建于1952年，前身为华东军政委员会贸易部职工医院，1959年更名为长宁区中心医院。1980年被上海市红十字会命名为“上海市长宁区红十字医院”。1999年搬迁至现址——长宁区仙霞路1111号。2010年，医院加入上海市第六人民医院医疗集团，成为集团第六家成员单位。
进入“十二五”规划期，长宁区委、区政府大力推进社会事业的优质均衡发展，着力提高区域医疗卫生水平。于2012年，和上海交通大学医学院签订 “合作共建区域医疗卫生事业”的战略协议。为了加快长宁区中心医院的改造升级，也为了传承长宁区同仁医院的历史底蕴和品牌优势，两所医院于2013年12月8日正式合并，成立“上海市同仁医院”，同时成为上海交通大学医学院的附属医院。