二十世纪30年代起北京协和医院先后成功实施了国内第一例肺叶、全肺及左开胸贲门癌切除手术，这标志着协和胸外科的诞生，也成为中国胸外科起步的重要象征。在随后数十年中，吴英恺、黄家驷、徐乐天等一批中国胸外科的奠基人和开拓者在这里写下了辉煌的篇章。新时代的协和胸外人秉承前辈的优良传统，在医疗、科研等方面不断开拓创新、锐意进取，使协和胸外科始终位居国内先进行列，更成为国内顶尖的胸外科疑难病诊治中心。
在历届主任及同仁的努力下，胸外科团队硕果累累。1990年由徐乐天主任率头“食管贲门癌外科治疗”获医科院科技进步三等奖；1995年由李泽坚主任带领全科室参与的血管外科工作“胸腹主动脉瘤的外科治疗”获医科院科技进步三等奖；1998年科室“协和医院食管恶性肿瘤的外科治疗”获北京协和医院科技进步二等奖；1999年8月，李泽坚主任带领全科室（和北京医院许贤豪并列）“重症肌无力泛化自身免疫的提出，易疲劳严重程度判定及临床免疫诊断新方法创立”获卫生部科技进步二等奖（证书号99202102）。
此外，胸外科还接受来自全国的疑难复杂病例的诊治，是国内担负处理难度大、风险高、病情复杂的胸外科之一。除了处理常见胸外科疾病以外，胸外科治疗重症肌无力、胸腺肿瘤手术居全国领先水平，治疗食管、贲门癌和支气管肺癌水平位于全国先进之列。
胸外科目前成功开展了一些高难度手术，如纵隔恶性肿瘤/罕见巨大肿瘤切除同期大血管置换术、肺叶袖式切除及支气管成形术、气管肿瘤切除术、高位食管癌切除+咽部吻合术、全隆突切除重建术、胸骨巨大肿瘤切除重建术等，取得良好的治疗效果。
在新技术方面，近年来科内广泛开展了电视胸腔镜、纵隔镜等微创胸外科手术，VATS手术量累计达千余例。VATS除了处理较为简单的自发性气胸、肺活检外，还开展了较为复杂的手术，如胸腺瘤摘除术、纵隔肿瘤切除术、全腔镜肺叶切除淋巴结清扫术、全腔镜食管癌切除术等。2006年起纵隔镜的诊断和治疗工作也普遍开展，并取得良好的临床效果。
胸外科与呼吸内科联合成立了肺部肿瘤胸外科实验室；目前在研的科研课题有：教育部科学研究重大项目“胸部肿瘤个体化综合诊治的转化医学研究”；吴阶平医学基金会“临床科研专项资助基金”；“北京协和医院青年基金”；北京协和医学院“青年教师项目”；教育部博士点优秀青年教师科研基金；国家医学考试中心一般项目科研基金；胸外科申请成功的“霍英东肺癌专项基金课题”有：《中晚期NSCLC个体化综合治疗的临床研究》；《肺癌病人血清蛋白质组构型与病理分期的关系》；《以EGFR信号通路为靶点的靶向治疗药物疗效预测研究》（胸外科、呼吸科联合课题）。与其他科室合作的研究项目有：《肺癌外科治疗中颈部淋巴结清扫重要性的临床研究》、《PET结合血清蛋白指纹分析鉴别诊断肺癌》。
2006年，胸外科一审通过了北京市专科医师培训基地的评审，目前是北京市首批专科医师培训基地；胸外科被卫生部评为第一批胸外科内镜诊疗技术培训基地；2006年，胸外科荣获中央高干保健先进集体称号；2007年2月“大气道恶性肿瘤致急性呼吸衰竭抢救成功”获医科院北京协和医院医疗成果奖三等奖；2008年1月“上纵隔巨大恶性肿瘤侵犯大血管致上腔静脉梗阻综合征的诊疗处理”获医科院北京协和医院医疗成果奖二等奖。
2008年9月10日获中国医学科学院北京协和医院科技进步奖；2009年12月“胸骨肿瘤切除胸廓重建术”获医科院北京协和医院医疗成果奖三等奖；2011年11月获卫生部医管司颁发的“恩德思杰出贡献奖”；2012度全科获北京协和医院合理用血进步奖；2012年12月“微创技术在食管癌手术中的应用”获北京协和医院医疗成果三等奖；2012年12月“榄香烯脂质体系列靶向抗癌天然药物产业化技术及其应用”获中华人民共和国国务院颁发的“国家科学技术进步奖”二等奖。
2012年12月“核医学功能分子影像的技术研发与临床应用”获北京市人民政府颁发的“北京市科学技术奖”二等奖；2013年1月“核医学分子影像的技术创新与临床应用”获“高等学校科学研究优秀成果奖”二等奖。2004年出版了由徐乐天教授主编的《现代胸外科学》，2010年底出版了由徐乐天教授名誉主编、张志庸教授主编的《协和胸外科学》（即《现代胸外科学》第二版，内容及字数大幅增加）。目前协和胸外科学（第三版）正在紧张改版编写中。