โรงพยาบาลสระบุรี เริ่มก่อสร้างเมื่อปี พ.ศ. 2494 ด้วยงบประมาณ 6๐๐,๐๐๐ บาท จากกรมการแพทย์กระทรวงสาธารณสุข โดยดำเนินการก่อสร้าง ตึกอำนวยการชั้นเดียวเป็นอาคารหลังแรก นับเป็นโรงพยาบาลแห่งที่ 4 ที่มีในต่างจังหวัด ในปี พ.ศ. 2494ได้รับเงินงบประมาณเพิ่มเติม ก่อสร้างเรือนคนไข้บ้านพักแพทย์ เภสัชกร เรือนพักพยาบาล เริ่มรักษาคนไข้และเปิดอย่างเป็นทางการโดยมีพระยาบริรักษ์เวชการ รัฐมนตรีว่าการกระทรวงสาธารณสุขเป็นประธานในพิธี เมื่อวันที่ 14 มกราคม 2497 นับจากนั้นโรงพยาบาลสระบุรี ก็ขยายตัวเจริญขึ้นทุกด้าน มีคนไข้มารับการรักษาพยาบาลเพิ่มมากขึ้นสัมพันธ์กับความเจริญของจังหวัดสระบุรี ซึ่งเป็นศูนย์กลางการคมนาคมมีทางหลวงสำคัญถึง 5 สาย มุ่งสู่ตัวเมืองผลของความเจริญดังกล่าว
            ในปี พ.ศ. 2515- 2519 กระทรวงสาธารณสุขได้กำหนดไว้ในแผนพัฒนาเศรษฐกิจและสังคมแห่งชาติฉบับที่ ๓ให้เป็นโรงพยาบาลศูนย์ในภาคกลาง โดยได้รับงบประมาณและบุคลากรผู้เชี่ยวชาญสาขาวิชาการต่างๆให้เป็นโรงพยาบาลขนาด 6๐๐ เตียง มีขีดความสามารถเป็น โรงพยาบาลศูนย์อย่างสมบูรณ์ ์ในปี พ.ศ. 2524 เป็นต้นมา
            ในปี พ.ศ. 2536 คณะแพทย์ศาสตร์ มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ และโรงพยาบาลสระบุรีได้ลงนาม ข้อตกลงความร่วมมือตามโครงการผลิตแพทย์ และผลิตแพทย์เพิ่มเพื่อชาวชนบท โดยมีข้อตกลงว่านักศึกษาชั้นปีที่ 4 และชั้นปีที่ 5 คณะแพทย์ศาสตร์ มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ต้องเข้ารับการฝึก ปฏิบัติงานในชั้นคลินิก ณ โรงพยาบาลสระบุรีใน 5 สาขา วิชาหลัก ได้แก่ อายุรศาสตร์ ศัลยศาสตร์ สูติ–นรีเวชศาสตร์ กุมารเวชกรรมและวิสัญญีวิทยา
            ในปี พ.ศ. 2538 กระทรวงสาธารณสุขได้มีโครงการผลิตแพทย์เพิ่มเพื่อชาวชนบท โดยความร่วมมือระหว่างทบวงมหาวิทยาลัยและกระทรวงสาธารณสุข จัดตั้งศูนย์แพทย์ศาสตร์ศึกษาชั้นคลินิกขึ้นใน โรงพยาบาลศูนย์ 1๐ แห่ง (ระยะแรก) ซึ่งรวมถึงโรงพยาบาลสระบุรีด้วย สำหรับการบริการจัดการ ของศูนย์แพทย์ศาสตร์ศึกษาชั้นคลินิก โรงพยาบาลสระบุรี บริหารจัดการในรูปของคณะกรรมการทำหน้าที่ด้านบริหาร วิชาการ พัฒนาและประเมินผล ตลอดจนกิจการนักศึกษา
            พ.ศ. 2545 ได้รับจัดสรรงบประมาณเพื่อพัฒนาศักยภาพเป็นโรงพยาบาลเชี่ยวชาญเฉพาะด้าน
            วันที่ 9 มีนาคม พ.ศ. 2547 ได้รับการรับรองคุณภาพโรงพยาบาล ตามมาตรฐานของ พรพ.
            วันที่ 17 สิงหาคม พ.ศ. 2547 ได้ผ่านการรับรองกระบวนการโรงพยาบาลส่งเสริมสุขภาพ Healthy Thailand ระดับ 2 จากกรมอนามัย
            พ.ศ. 2549 ผ่านการรับรองคุณภาพซ้ำครั้งที่ 1 (Reaccredit)
            พ.ศ. 2552 พัฒนาศักยภาพโรงพยาบาลเชี่ยวชาญเฉพาะด้าน เพิ่มด้านNewborn และ Cardiac center (ระดับ 4)
            วันที่ 21 ธันวาคม 2553 ผ่านการรับรองคุณภาพซ้ำครั้งที่ 2 (Reaccredit)