Fondato nel 1277, lo Spedale degli Infermi, detto di Santa Maria del Ceppo, è uno dei più antichi ospedali della Toscana. L'appellativo gli viene da un'antica tradizione che ricorda un "ceppo" di castagno utilizzato per raccogliere i primi contributi per l'edificazione della struttura ospedaliera. Negli anni seguenti l'ospedale crebbe rapidamente grazie a numerose donazioni. Durante il Medioevo, come altre istituzioni similari, esercitò un’azione di sostegno nei riguardi dei poveri e degli infermi, soprattutto durante le ricorrenti carestie e contagi. Sul finire del Quattrocento l’Ospedale fu oggetto di forti conflitti di interesse tra i partiti cittadini al punto che nel 1502 fu messo alle dipendenze del fiorentino Santa Maria Nuova.

Nei primi anni del secolo XVI fu costruita la loggia, che ricorda quella brunelleschiana dell'Ospedale degli Innocenti. Sulla facciata, sopra il loggiato, fu realizzato, fra il 1526 e il 1528, il bellissimo fregio di terracotta invetriata ad opera di Giovanni della Robbia e di Santi Buglioni, ad eccezione di un pannello ("Dare da bere agli assetati") del pistoiese Filippo di Lorenzo de' Paladini. I sette grandi pannelli che compongono il fregio rappresentano le Opere di Misericordia, intervallati dalle virtù Cardinali e Teologali.

Efficace, dal punto di vista dell'iconografia relativa alla medicina, è il pannello che illustra la visita agli infermi: su un fondo bianco che evoca l'ambiente ospedaliero, un medico sente il polso ad un vecchio malato, dal volto sofferente, mentre un personaggio anziano, forse un inserviente, mostra un'ampolla. Dietro, gli allievi attendono che il medico pronunci la diagnosi. Al centro della scena si trova Leonardo Buonafede, spedalingo del Ceppo, in atto di ascoltare un medico. La scena prosegue con due assistenti che aiutano un chirurgo che cura una ferita alla testa di un giovane paziente.

Nel 1778 lo Spedale del Ceppo recuperò la sua antica indipendenza da Firenze e, pochi anni dopo, il Granduca Pietro Leopoldo di Lorena lo riunì a quello di San Gregorio, un antico ospizio di Pistoia che accoglieva i figli abbandonati, decretando così l'atto di nascita degli Spedali Riuniti.

L'Ospedale disponeva di una Scuola Medico-chirurgica, forse fondata negli anni Ottanta del Seicento, anche se probabilmente già dal secolo precedente vi si impartivano lezioni di medicina. Nel 1784 il Granduca ne approvò il regolamento, istituendovi cinque cattedre (Medicina Pratica, Istituzioni Chirurgiche, Anatomia, Casi Pratici, Operazioni e Ostetricia) con la necessaria dotazione di strumenti. Alla fine dei corsi, gli studenti dovevano recarsi a Firenze per l'esame finale. La scuola formò medici di valore, tra cui l'anatomista Filippo Pacini, finché nel 1839, con la riforma del sistema di studi superiori, ne fu decretata la chiusura a causa del basso numero di studenti. Della Scuola rimane testimonianza nella raccolta degli antichi ferri chirurgici conservati in un apposito museo.

Il Museo dei Ferri Chirurgici, allestito in un'antica saletta dell'Ospedale, raccoglie ferri urologici, ostetrici e ortopedico-tramautologici databili principalmente tra il Settecento e i primi anni dell'Ottocento. Gli strumenti sono di fabbricazione pistoiese, nazionale (Bologna) e internazionale (Inghilterra e Francia). Il Museo conserva, inoltre, una raccolta di testi medici. Nel giardino dell'Ospedale si trova il restaurato anfiteatro anatomico del Seicento.

Il laboratorio di farmacia, infine, conserva vari reperti databili dal XVIII al XX secolo: banchi per la preparazione dei prodotti galenici, vetreria farmaceutica, una raccolta di vasi e armadi per la conservazione delle essenze officinali. Attualmente è in fase di realizzazione il Museo Storico della ASL 3 di Pistoia, che comprenderà anche le collezioni del Museo dei Ferri Chirurgici.