天津市环湖医院前身为1981年9月25日遵照市卫生局指示精神，开始筹建的体院北医院。1985年5月18日，市教委下发为《天津市体院北建院筹备工作座谈会纪要》，明确以神经外科为特色的办院方向。1986年4月21日，医院正式定名为“天津市环湖医院”。

　　1987年5月8日，确立病房住院部设置：总床位数为315张，其中神经外科141张，神经内科30张，普通内科47张，普通外科47张，儿科19张，产科15张，五官科16张。1987年6月，医院工程竣工，实际竣工总面积为18459平米。

　　1988年2月12日，卫生局批准建制行政科室九个：院办、医务科、总务科、人事科、保卫科、财务科、物资供应科、护理科、门诊办公室。医疗技术科室16个：神经科、内科、外科、妇产科、儿科、五官科、中医科、麻醉科、药剂科、检验科、放射科、病理科、理疗科、预防保健科、营养科、物理诊断科。3月12日，被确定为以神经科为重点的一级综合性医院。同年6月20日医院正式开诊。

　　1992年7月23日，市局下达“环湖医院综合楼扩建工程1992年自筹基建计划的通知”同意环湖医院综合楼扩建工程总建筑面积2500平方米，新增185张床。12月26日，增名为天津市脑系专科医院，今后该院仍以脑系专科为主的综合性医院，也是三级医疗网中最终转诊的单位，要承担起天津市脑系科疾病的诊断，治疗任务。

　　1993年1月20日，天津市神经外科研究所建立。6月14日，建成华北地区规模最大的颅脑损伤急救中心。配备现代化的先进医疗技术设备和一批临床经验丰富的医疗技术骨干，并建立了一整套标准化、系统化、高效率的颅脑损伤抢救运行机制，大大减低了颅脑损伤病员的死亡率和病残率，充分发挥脑系专科医院的作用。同年，华北地区最大的高压氧舱在该院正式投入临床。

　　1994年6月，行政综合楼竣工验收，面积2500平米。11月15日，医院获批“天津市放射性介入技术（脑）应用研究基地”。1994年医院获批为天津市开展准分子激光角膜屈光治疗技术的试点医院，同年10月24日，天美准分子激光视力治疗中心开幕典礼。

　　1995年建立“立体定向放射治疗中心”，同年9月20日，以951分的成绩，通过三甲评审。11月27日，医院神经外科评定为天津市重点学科。

　　1997年9月，相继建立亚低温、微侵袭两个治疗中心，填补了国内空白，达到国家一流水平。

　　1998年成立三衰急救科（危重病急救病房）。

　　2000年11月18日医院住院楼2000平方米贴建工程竣工，投入试运行阶段。重建了亚低温病房及扩建三间手术室。

　　2001年4月6日，经市卫生局批准，医院成立天津市鼻病诊疗中心，并增挂天津市鼻病诊疗中心的牌子。5月17日，天津市鼻病诊疗中心开诊，市卫生局副局长吴汉章出席了挂牌揭幕仪式。10月18日医院康复医学中心正式成立。该中心是以脑卒中，脑、脊髓损伤及颅脑手术后康复为重点，与骨、肌肉、心、肺等各种临床疾患及心身疾患的康复相结合的具现代康复水平的医疗中心，内设康复功能评定与康复治疗两大部分。同年创办了《现代神经疾病杂志》。

　　2003年《现代神经疾病杂志》更名为《中国现代神经疾病杂志》。

　　2006年医院获批为神经外科专科医师培训基地和临床药师培训基地，为培养高素质专业人才搭建了平台。同年2月3日，对神经外科科室结构进行调整，将神经外科分为神经外一科(七、八病区)和神经外二科(三、四、九、十四病区)，科室人员不动。

　　2010年10月11日，新建的三个病区，分别是以痴呆和神经变性病为特色的两个神经内科十六、十七病区和一个以血管介入为特色的神经外科十五病区开诊，同时，对重症医学科病房进行改造，设ICU病床10张。改扩建后天津市环湖医院共有神经内科病床201张，神经外科病床294张，编制床位数也由原来的508张增至600张。11月，被列为人力资源和社会保障部工伤康复试点机构。12月13日下午，医院举行“卫生部脑卒中筛查与防治基地”揭牌仪式，成为天津市首家卫生部脑卒中筛查与防治基地医院。天津市环湖医院迁址新建工程于2010年12月29日举行了迁址新建工程的奠基仪式。2010年，医院被人力资源和社会保障部确定为全国第二批工伤康复试点机构，成为当时天津市唯一的国家级工伤康复定点单位。

　　2011年天津市环湖医院神经外科获批为国家临床重点专科建设项目，神经外科专业获得全国药物临床试验基地资格。5月，医院神经外科十八病区开诊，新增病床15张。6月20日，医院成立由神经影像、神经病理、神经外科及放射治疗科等联合组成的“天津市环湖医院胶质瘤诊疗中心”。10月12日，天津市环湖医院痴呆诊疗中心成立，举行揭牌仪式。

　　2012年，成为天津市医疗康复定点医院。10月24日，神经康复十九病区开诊，设有病床24张。同年10月，该院神经外科、神经内科、医学影像科（放射治疗）专业获得国家食品药品监督管理局药物临床试验机构资格认定。

　　2013年，获批天津市科委省部级实验室——“天津市脑血管与神经变性重点实验室”，8月16日，天津市环湖医院疼痛科正式获批。

　　2014年6月顺利通过了医院等级评审，同年通过“国家卫计委临床药师培训基地”评审，成为天津市第三家临床药师培训基地。

　　2015年获全国首批“高级卒中中心”称号，并在全国2014年度脑卒中筛查与防治工作考评中，位列省级医院第一名。同年8月获批成立天津市痴呆研究所。

　　2016年2月29日医院迁址新建工程现场竣工验收合格，于3月10日零点完成新、老院区顺利切换，标志着该院使用了28年的老院区正式停诊，位于津南区吉兆路6号的环湖新院址正式启用。先后增开了两个神经内科病区和特需病房，医院编制床位由650张增加至900张。

　　2017年3月医院编制病床增加100张至1000张。10月16日医院与南开大学签署医学联盟合作协议，确立战略合作关系，正式授牌为“南开大学附属环湖医院”。同日，医院神经外科十病区和中医科病房正式开诊。