L'hôpital Saint-Jacques naît officiellement en 1257 par un acte de donation du prieur de la Daurade à une confrérie charitable qui s'occupe notamment des pélerins en route pour Saint-Jacques-de-Compostelle. Il est situé sur la rive gauche de la Garonne, à l'entrée du pont de la Daurade (il portera longtemps le nom de "Saint-Jacques du bout du pont"). Au cours des XIVè, XVè et XVIè siècles, l'hôpital connaît plusieurs agrandissements avant d'être chargé de l'administration des cinq hôpitaux de la ville. En 1554, il prend le nom d'Hôtel-Dieu.

Victime d'un incendie qui le détruit en partie en 1574, l'hôpital connait une diminution du nombre des pélerins mais voit affluer de plus en plus de malades venus de La Grave. Des travaux, après l'achèvement du Pont-Neuf, étendent sa surface au XVIIè siècle, les principaux à la fin du siècle donnant naissance à l'aile construite le long de la Garonne. En 1729, un arrêt du Parlement institue une maternité à l'Hôtel-Dieu (ce qui est une nouveauté dans la ville). Régulièrement l'hôpital est victime des inondations et connaît des dégradations.

Une réorganisation hospitalière se produit à l'époque de la Révolution française. L'Hôtel-Dieu passe alors sous le contrôle du département de la Haute-Garonne. Le XIXè siècle est marqué par de nouveaux travaux (reconstruction de l'entrée, de l'aile nord-ouest ; agrandissement de la chapelle). Après la dévastation par la Garonne en 1875, la construction dans la première moitié du XXè siècle de l'hôpital suburbain de Purpan conduit à une baisse des effectifs à l'Hôtel-Dieu. Les années 50 verront des travaux de consolidation de l'hôpital après la dernière grande inondation de 1952. Peu à peu, les fonctions strictement hospitalières quittent l'Hôtel-Dieu pour Purpan et pour le nouvel hôpital de Rangueil (le dernier malade est transféré en 1987). Aujourd'hui le bâtiment est le pôle administratif du CHU toulousain mais, depuis 1996, il abrite un musée de la médecine. Du fait de son histoire liée au pélerinage vers Saint-Jacques-de-Compostelle, l'Hôtel-Dieu a été inscrit au patrimoine de l'humanité en 1998.