In der Thoraxchirurgie werden sämtliche gutartigen und bösartigen Erkrankungen der zentralen Atemwege, der Lungen, des Mediastinums und der Brustwand einschließlich angrenzender Regionen behandelt. Zu den häufigsten Diagnosen gehören das Lungenkarzinom, Lungenmetastasen, Pleuramesotheliome sowie Sarkome, insbesondere auch im Kindesalter. Weitere Schwerpunkte der Abteilung sind die Chirurgie bei Myasthenie, Lungenemphysem und Brustwand-Fehlbildungen (Verfahren nach NUSS). Tägliche interdisziplinäre Konferenzen stellen eine kompetente Betreuung ambulanter Patienten bei Erstkontakt sicher. Alle stationären Patienten mit onkologischen Erkrankungen der Thoraxorgane werden in einer wöchentlichen interdisziplinären Konferenz (Tumorboard des NCT) ausgiebig diskutiert mit dem Ergebnis einer verbindlichen Therapieempfehlung. 

Die Thoraxklinik gehört zu den ersten zertifizierten Lungenkrebszentren in Deutschland, die Chirurgische Abteilung hat das größte operative Aufkommen aller spezialisierten Einrichtungen in Deutschland. Etwa 40 Prozent aller operativen Eingriffe werden inzwischen als sog. videoassistierte minimal-invasive Verfahren („Schlüsselloch-OP“) durchgeführt. Organüberschreitende Prozesse und insbesondere komplexe Multiviszeralresektionen sowie rekonstruktive Eingriffe an Thoraxwand und zentralem Tracheobronchialsystem werden in der Regel über offene Standardeingriffe („Thorakotomie“) vorgenommen. Die Radiofrequenzablation (RFA) hat ihr Einsatzgebiet bei Tumoren der Lunge, wenn der Allgemeinzustand des Patienten keine Operation mehr zulässt.  Die Laserchirurgie steht für besondere Resektionsverfahren, beispielsweise die Metastasentherapie bereit.

Des Weiteren steht für minimal-invasive thoraxchirurgische Eingriffe ein DaVinci-Operationsrobotersystem der neusten Generation zur Verfügung. Die Abteilung für Thoraxchirurgie am Universitätsklinikum Heidelberg ist damit europaweit eine der ersten Lungenfachkliniken, in der täglich Roboter-assistierte minimal-invasive Eingriffe an Lunge, Mediastinum und Zwerchfell durchgeführt werden können. Bei Bedarf werden chirurgische Eingriffe gemeinsam mit benachbarten operativen Fächern der Universität Heidelberg (Plastische Chirurgie, Orthopädie, Neurochirurgie, Herzchirurgie, Viszeralchirurgie) vollzogen. Integraler Teil der klinischen Versorgung ist eine eigene Forschungseinrichtung („Interdisziplinäre Sektion Translationale Forschung“), die u.a. die im nationalen Maßstab eine der größten Tumorbänke für Lungenkarzinome unterhält.