L'archivio dell'ospedale, depositato dalla USL presso l'Archivio storico comunale, è costituito da circa 2500 pezzi fra buste, filze e registri ed abbraccia un arco cronologico che, a partire dal 1613, arriva fino al 1965. Oltre che dai documenti, contabili le serie principali sono costituite da statuti e regolamenti, deliberazioni, corrispondenza, registri dei malati, dei medicinali, delle cibarie e spese diverse, delle biancherie, delle mignatte, degli interventi di medicheria e sala operatoria, dai rapporti sul trattamento giornaliero degli ammalati, dai fascicoli del personale.
La maggior parte della documentazione è relativa ai secoli XIX e XX; dei periodi precedenti sono pervenuti a noi solo alcuni registri di "ammissione degli infermi" e di "cibarie e spese diverse". Proprio per le gravi lacune documentarie riesce difficile, per il periodo più antico, ricostruire la storia di questo ricovero che fu fatto edificare da Iacopo VI Appiani nel 1570 su un preesistente nucleo ospedaliero di S.Trinita fondato fra il 1448 e il 1455. Il signore lo dotò dei beni delle corporazioni religiose soppresse e lo affidò ai frati di San Giovanni di Dio, un ordine ospedaliero originario della Spagna, che lo gestirono ininterrottamente fino al 1806.
Quando Elisa Bonaparte Baciocchi divenne principessa di Piombino (1805) avviò un progetto di ristrutturazione della città comprendente anche la costruzione di un nuovo ospedale, secondo la concezione di sanità pubblica che vedeva gli ospedali non più come ricoveri per i poveri infermi raccolti a scopo assistenziale ma strutture finalizzate al recupero dei malati. Per la nuova sede, che entrò in funzione nel 1810, fece modificare il convento di S. Anastasia e l'annessa chiesa di S. Antimo sopra i Canali.
Con l'annessione di Piombino al Granducato di Toscana (1815) e a seguito dei grandi lavori di bonifica iniziati nel 1828 per il rinnovato interesse governativo verso le pianure maremmane, l'ospedale, che accoglieva soprattutto militari e lavoratori stagionali affetti perlopiù da malaria, nel 1833 fu qualificato in regio (come quelli di Firenze, Siena, Pisa, Pistoia, Arezzo, Livorno e Grosseto) e venne amministrato da un rettore di nomina granducale. Nel 1869 il Comune, in base alla legge del 3 agosto 1862 sulle Opere Pie che inseriva gli ospedali nel campo dell'assistenza e beneficenza, lo affidò alla locale Congregazione di Carità.
Alla fine del 1800 il gigantesco processo di industrializzazione modificò Piombino da comune rurale in città-fabbrica; l'aumento della popolazione costretta ad ammassarsi in ambienti angusti e la nocività della vita in fabbrica portarono al propagarsi di malattie infettive che si aggiunsero al morbo tradizionale della malaria. Le dure condizioni di lavoro provocarono inoltre numerosi infortuni (nei primi anni del secolo se ne calcolarono circa 3000 all'anno). La nuova amministrazione socialista si impegnò particolarmente nel settore sanitario e dell'igiene pubblica; nel 1905 nominò direttore sanitario Antonio Mori che propose immediatamente la costruzione di un nuovo ospedale. Le storiche carenze finanziarie fecero però ripiegare l'amministrazione su un progetto di ampliamento dell'esistente che ebbe un percorso molto lungo. Terminerà solo nel 1935 dopo che il regime fascista, in occasione della visita di Vittorio Emanuele III per l'inaugurazione dell'acquedotto (1925), darà l'avvio ad un "Comitato pro-Ospedale" per la raccolta di fondi.
Nel 1936, dopo gli avvicendamenti di vari direttori a seguito delle dimissioni (1925) di A. Mori, sarà nominato direttore Giovanni Maria Cannata; nel 1937 con la soppressione delle Congregazioni di Carità l'amministrazione passerà all'Ente Comunale di Assistenza e con un decreto del 5 dicembre del 1938 a un Consiglio di Amministrazione.