上海市胸科医院肿瘤外科（肿瘤科），成立于2006年（上海市肺部肿瘤临床医学中心），在国内率先建立肺癌多学科诊治团队，开展精准医学指导下的个体化综合治疗。科室承担国家科技重大专项-重大新药创制课题，国家重点研发计划“基于组学特征的肺癌免疫治疗疗效预测指标的构建和验证”、科技部国家国际合作专项“中瑞合作肺癌临床医学中心肺癌诊治关键技术转化医学研究”，国家自然科学基金7项，省部级以上课题31项。承担40余项国际多中心临床试验，其中包括三项国家1.1类新药临床研究。
2009年，肿瘤科成功完成中国大陆第一例达芬奇机器人辅助下的肺癌肺叶切除术、胸腺瘤切除术等。目前肿瘤科达芬奇手术保持全国第一。施行了国内第一例四维磁导航引导下的肺癌经皮氩氦刀消融术，多次实施了射频消融治疗、氩氦冷冻消融微创治疗等。
肿瘤科在国内率先建立肺癌的多学科诊治团队，整合肿瘤内外科联合相关科室贯彻肺癌多学科规范化诊治，开展靶向、免疫的新辅助，内外多学科联合治疗，在针对个性化治疗上有着得天独厚的优越性。肺癌多学科诊治模式是肿瘤科建设的核心内容之一，集中体现了肿瘤科的学科优势。亚学科建设包括：肺癌精准医学指导下的个体化靶向治疗、内外科微创诊治，组织工程，晚期非小细胞肺癌（NSCLC）的内科治疗，局晚期NSCLC辅助及新辅助治疗，肺癌的性别差异及肺癌姑息治疗等。
内外科微创诊治技术包括达·芬奇机器人手术辅助系统、胸腔镜手术、纵隔镜手术，胸部肿瘤微创治疗技术（肿瘤经皮射频消融术、氩氦刀冷冻消融术等）及先进微创检查项目（四维磁导航影像学引导下肺穿刺活检术）等。肿瘤外科成功完成中国大陆第一例达·芬奇机器人辅助下的肺癌肺叶切除术、胸腺瘤切除术等手术，截止目前共实施达·芬奇下肺癌肺叶切除术、胸腺瘤切除术等500余例。
2012年肿瘤科施行了国内第一例四维磁导航引导下的肺癌经皮氩氦刀消融术，截止目前已实施了100余次的射频消融治疗、80余次的“氩氦冷冻消融微创治疗”、40余例四维磁导航影像学引导下胸部肿瘤消融术和70余例肺小结节穿刺活检术。2014年起，开设了“肿瘤消融专题门诊”作为肿瘤多学科诊治的有效补充。
依托承担科技部“863”子课题“肺癌的分子分型和个体化诊疗技术”，开展分子分型指导下的肺癌精准靶向治疗，承担多项靶向治疗新药在中国的注册研究。2008年4月成功申请到了肿瘤学科的临床药理基地。十年间，肿瘤科承接的临床试验注册研究从参与单位向组长单位发生了质的转变，作为组长单位发起国内多中心III期临床研究6项，作为参与单位完成和正在进行的各种国际、国内临床研究近50项。科室在2015年通过美国食品及药物管理局（FDA）临床研究LUX-LUNG8的稽查，2016年10月也顺利通过了中国国家食品药品监督管理局（CFDA）对临床研究ENSURE的稽查。
肿瘤科以国家重点研发计划重大慢性非传染性疾病防控研究重点专项为基础，与清华大学、浙江大学、南方基因等九家参与单位共同合作，采用最前沿的多组学研究手段，包括基于二代测序技术的转录组（RNA-seq）、全外显子测序、表观基因学和宏基因组分析，基于功能研究的免疫组学和代谢组学等手段，结合国际和国内相关免疫治疗药物的注册临床研究进行“组学”分析，形成与临床治疗方案、治疗人群分类和治疗疗效相关的肺癌多组学图谱。
在多系统分子相互作用和网络调控层次上深入分析挖掘数据，描绘出可用于肺癌免疫检查点临床治疗过程中疗效相关的分子水平分类体系框架，并通过结合肺癌患者临床信息及现有对疾病临床的分类治疗，建立免疫检查点抑制剂治疗方案选择、疗效预测和治疗有效性相对应的多组学生物标志物（谱），以建立适合中国肺癌患者人群的免疫检查点抑制剂临床治疗预测和疗效评价的指标体系，最终筛选出能用于预测中国肺癌患者免疫检查点抑制剂疗效的生物标志物，指导肺癌精准免疫治疗。科室还进行肺鳞癌FGFR/Ras/Raf靶向治疗的转化性研究。关于耐药PDX模型的建立。肺部孤立小结节的研究。目前肿瘤科在研国家级课题9项，市级课题12项，在研科研经费1700余万元。
在组织工程化产品方面，2013年成功申请一项国家自然科学基金面上项目“体内生物反应器”构建组织工程化气管。2014年完成了组织工程化产品可降解支架材料药监局生物安全性测试，完成了动物实验，通过医院伦理审查，拟进入临床应用阶段。2015年完成了4例临床应用，均获得了良好的临床效果。
自2012年起肿瘤科开始探索肺癌患者“无痛病房”的创建工作。通过对全科医护人员关于癌痛三阶梯、规范化滴定流程等的定期培训，在肿瘤科病房内对癌痛进行规范化管理，将疼痛控制在微痛、甚至无痛的范围内。2015年肿瘤科成功入选上海市第一批癌痛规范化治疗示范病房。
肿瘤内科依托上海市胸科医院，所诊治的疾病以胸部肿瘤为主（包括原发和转移性胸部肿瘤），种类覆盖肿瘤内科的各类常见疾病。2015年10月成功申请成为上海市肿瘤内科专科医师规范化培训基地，并成为组长单位，承担全市肿瘤专科医生考核工作。2016年获得了交大医学院“临床肿瘤学进展”的研究生教学任务。