L'Hôtel-Dieu de Lyon est l'un des plus grands bâtiments de la presqu'île. Il est construit en bordure ouest du Rhône. Premier hôpital lyonnais (les premiers bâtiments sont attestés en 1184), il est toujours en exercice aujourd'hui.
Au voisinage de l'an mil, une congrégation laïque se créa pour faciliter les pèlerinages et les échanges : ce fut la Confrérie des frères pontifes. Elle construisait des ponts pour faciliter les communications et bâtissait à leurs débouchés des hôpitaux pour recueillir les pèlerins. C'est ainsi qu'au XIIe siècle, la section lyonnaise de la Confrérie commença la construction du pont du Rhône (le pont de la Guillotière) et dans son voisinage établit un hôpital en 1184-1185 : l'hôpital du Pont du Rhône, ancêtre de l'Hôtel-Dieu.
La direction de l'Œuvre du Pont changea plusieurs fois de mains, passant dans le giron de plusieurs congrégations religieuses. Maître Martin Conras, le premier médecin attitré, fut embauché en 1454.
De cet Hôtel-Dieu, bâti par la municipalité en 1478-1480, il ne reste rien aujourd'hui, après les remaniements du XVIIe et XVIIIe siècles.
Les hôpitaux du Moyen Âge étant de petite capacité d'accueil, les échevins de Lyon (dont Gadagne et Symphorien Champier) décidèrent de construire un grand hôpital, sur les lieux de l'actuelle chapelle : c'est l'Hôpital de Notre-Dame de la Pitié du Pont-du-Rhône ou Grand Hôtel-Dieu.
En 1532, François Rabelais est nommé médecin de l'Hôpital, il avait à sa disposition une vingtaine de religieuses « tant repenties que d'autres qui sont là dedans rendues pour l'honneur de Dieu, pour servir les pauvres lesquels sont nourris et habillés ». Rabelais a quitté subitement son poste en 1535, probablement à cause de l'affaire des Placards.
En 1622, les locaux devenus exigus sont détruits et remplacés par un ensemble de constructions en forme de croix, groupées autour d'un dôme central : les salles des Quatre-Rangs. On construit une nouvelle église sur l'emplacement de l'ancien bâtiment, d'après les plans de l'architecte Ducellet ; on en pose la première pierre le 23 décembre 1637, en présence du cardinal de Richelieu, archevêque de Lyon, et du marquis de Villeroy.
Des agrandissements sont encore nécessaires, et l'endettement pousse l'administration au bord de la faillite. On construit de 1658 à 1663 un bâtiment réservé aux convalescents, sur les quais du Rhône.
Les longues guerres qui ensanglantent la fin du siècle augmentent le nombre de mendiants, qui se porte au dixième de la population. Louis XIV autorise trois loteries successives afin de rassembler les subsides nécessaires à la prise en charge des soldats des armées d'Italie et de Catalogne. Il accorde également de nouveaux privilèges à l'Hôtel-Dieu.
Parmi les médecins de l'Hôtel-Dieu, les personnalités les plus marquantes de l'époque sont Claude Pons, qui traitait les malades contagieux (il légua tout son bien aux pauvres), Jean de Lamonière (l'auteur d'un Traité sur la peste), etc.
De 1741 à 1761 est construit sur les courtines du Rhône le « temple magnifique », véritable « monument élevé à la fièvre », comme le remarqua plus tard Joseph II d'Autriche. Les plans sont établis par Soufflot ; la façade en pierre de taille blanche est véritablement opulente avec une riche décoration extérieure. Le grand dôme est construit à partir de 1755 afin de permettre le renouvellement de l'air dans les immenses salles communes. Les statues du roi Childebert Ier et de la reine Ultrogothe, fondateurs du tout premier hôpital en 549, ornent l'entrée principale.
Le dôme est achevé en 1764, mais déjà on regrette « la facilité avec laquelle on s'est livré à des constructions plus brillantes qu'utiles ».
L'Hôtel-Dieu a excellente réputation à cette époque. De 1737 à 1748, on note une mortalité de un sur quatre à l'Hôtel-Dieu de Paris, contre un sur quatorze à celui de Lyon.
Cette période funeste à Lyon n'a pas épargné la médecine et le soin des indigents. Différents décrets, de 1789 au 9 thermidor, suppriment les ordres religieux et tout ce qui est « organisation » (Sociétés médicales, Collège des médecins et des chirurgiens) ainsi que l'instruction (permettant à tout un chacun de se proclamer médecin). Le résultat est un trouble profond dans la marche des hôpitaux.
La situation financière, guère brillante à la fin de l'Ancien Régime, devient catastrophique car les principaux revenus des hôpitaux (octrois et privilèges) sont coupés. Les Recteurs, après avoir financés personnellement l'Hôtel-Dieu, sont contraints de démissionner en 1791 et d'en remettre la direction au Directoire du département Rhône et Loire, lequel nomme huit administrateurs. Le bilan était effroyable : « il n'y avait dans la maison ni toile, ni farine, ni vins, ni drogues ; l'hôpital était débiteur, en capitaux exigibles, de 3 246 437 livres » (A. Croze).
Le siège de Lyon par les armées de la Convention et le bombardement de l'Hôtel-Dieu pendant toute la durée de ce siège, du 8 août au 9 octobre 1793, ne laissa que des ruines. De plus, pendant la Terreur qui a suivi le siège de Lyon, on a établi une liste précise, bien que peut-être incomplète, des victimes guillotinées ou fusillées :
L'hôpital est encore agrandi et abrite désormais près d'un millier de malades, dont cent vingt-cinq militaires. Il perd peu à peu son autonomie : son administration se confond avec celle de l'hôpital de la Charité. On y trouve :
Lyon était au XIXe siècle un centre actif de la chirurgie, au point que « triompher au majorat de l'Hôtel-Dieu, c'était s'emparer du sceptre de la chirurgie dans le sud de la France ».
Principaux chirurgiens-majors du Grand Hôtel-Dieu (il y en a eu 24) :
Röntgen découvre les rayons X en décembre 1895 ; conscient des retombées énormes de cette technique, tant en médecine qu'en technologie, il en fait don à l'humanité. À Lyon, Étienne Destot réalise les premières radiographies en février 1896 et, équipé et outillé, il crée le premier service de radiologie français dans une boutique désaffectée de l'Hôtel-Dieu. Ollier y a souvent recours à la fin de sa carrière.
Léon Bérard crée en 1923 le second centre anticancéreux français dans le grand dôme de l'Hôtel-Dieu. Il finance, par l'intermédiaire de l' Association lyonnaise de lutte contre le cancer, l'achat d'une quantité importante de radium qui est utilisé dans le traitement des cancers du col utérin et de la muqueuse buccale. L'afflux de patients nécessite dès 1935 un déménagement à l'hôpital de Grange-Blanche, puis, en 1958, l'installation au centre Léon Bérard.