Trung tâm Đột quỵ là đơn vị lâm sàng của Bệnh viện, thực hiện chức năng tiếp nhận, đánh giá, phân loại, xử trí cấp cứu, điều trị tích cực, phục hồi chức năng, dự phòng đột quỵ cho người bệnh. Thực hiện chức năng: Nghiên cứu khoa học, Đào tạo, Chỉ đạo tuyến, Hợp tác quốc tế.

Trung Tâm Gây Mê Hồi Sức là nơi nhận gây mê cho tất cả các loại phẫu thuật từ đơn giản đến phức tạp, cả mổ phiên hàng ngày đến mổ cấp cứu cho tất cả các chuyên khoa ...như: ngoaị, sản, tim mạch ( mổ tim  dưới THNC) Tai mũi họng, Răng Hàm Mặt, Mắt, phẫu thuật nội soi các loại ( Nội soi hô hấp, ngoại khoa, sản, TMH..), Ghép tạng ( Ghép thận ).

Trung tâm Hô hấp - Bệnh viện Bạch Mai thực hiện các chức năng khám, chẩn đoán, điều trị bệnh nhân thuộc chuyên khoa hô hấp với kỹ thuật cao; tham gia đào tạo và phát triển nguồn nhân lực y tế ở các trình độ và các loại hình đào tạo về lĩnh vực hô hấp; tham gia công tác chỉ đạo tuyến, nghiên cứu khoa học và hợp tác quốc tế về lĩnh vực hô hấp.

Trung Tâm Hồi Sức Tích Cực là nơi điều trị  bệnh nhân nặng cần hồi sức tích cực. Đào tạo và huấn luyện cán bộ sau đại học và trên đại học. Chỉ đạo tuyến  dưới. Nghiên cứu khoa học. Thông tin tư vấn về Hồi sức cấp cứu. Hợp tác quốc tế.

Trung tâm Huyết học Truyền máu thuộc Bệnh viện Bạch Mai có chức năng tổ chức thực hiện các nhiệm vụ về chuyên khoa Huyết học và Truyền máu như sau:Thực hiện khám, chữa bệnh, tham gia hội chẩn tư vấn chuyên môn về Huyết học và Truyền máu cho các chuyên ngành khác trong bệnh viện. Thực hiện xét nghiệm huyết học phục vụ toàn bệnh viện. Tổ chức lưu trữ, cung cấp máu an toàn cho toàn bệnh viện. Nghiên cứu khoa học, đào tạo và tham gia chỉ đạo tuyến của bệnh viện.

Trung Tâm Nhi Khoa là nơi khám và điều trị các bệnh chủ yếu về Nội Nhi cho trẻ em dưới 15 tuổi ở các tỉnh thành phố trên toàn quốc đặc biệt là các tỉnh thành phố phía Bắc; hiện nay đã bắt đầu triển khai Ngoại Nhi với sự kết hợp của Trung tâm Nhi khoa với các chuyên ngành ngoại khoa (tim mạch, phẫu thuật thần kinh, chấn thương chỉnh hình, ngoại tiêu hóa, phẫu thuật lồng ngực ...). Tiếp tục phát triển và triển khai can thiệp tim mạch trẻ em với sự hỗ trợ của Viện tim mạch.

Khoa Phẫu thuật Tiêu hóa – Gan mật tụy: khám, điều trị phẫu thuật bệnh lý ống tiêu hóa, hậu môn – trực tràng, gan mật – tụy, ổ bụng và một số bệnh đặc biệt như u tuyến thượng thận, u sau phúc mạc…. từ bệnh lý thông thường đến bệnh hiểm nghèo, phức tạp với đội ngũ phẫu thuật viên có kinh nghiệm được đào tạo bài bản trong và ngoài nước và đội ngũ điều dưỡng được tuyển chọn, khoa đã triển khai được nhiều kỹ thuật khó với tỷ lệ thành công cao.

Trung tâm là cơ sở Phục hồi chức năng duy nhất của Việt Nam hiện nay hoạt động chuyên môn theo nhóm kỹ thuật Phục hồi “Rehabilitation team” với đầy đủ các thành viên, đó là: Bác sỹ chuyên khoa Phục hồi chức năng, điều dưỡng Phục hồi chức năng, kỹ thuật viên Vật lý trị liệu, kỹ thuật viên Hoạt động trị liệu, kỹ thuật viên Chỉnh hình-chân tay giả, kỹ thuật viên Âm ngữ trị liệu. 

Trung tâm Thần kinh tự hào là đơn vị điều trị bệnh lý Thần kinh có quy mô lớn nhất Việt Nam. Với 231 giường điều trị nội trú, Trung tâm đã phát triển các đơn vị chuyên khoa sâu về Thần kinh

Trung tâm Thận tiết niệu và lọc máu - Bệnh viện Bạch Mai là chuyên khoa đầu ngành trong cả nước với nhiều hoạt động đa dạng trong khám chữa bệnh nội trú và ngoại trú, đào tạo chỉ đạo tuyến và hợp tác quốc tế.

Trung Tâm Tiêu Hoá - Gan Mật là nơi khám chữa bệnh chuyên khoa Tiêu hóa bao gồm khám chữa bệnh nội trú và ngoại trú.  Là cơ sở thực hành cho trường đại học Y Hà Nội và trường đại học Dược Hà Nội, trường Cao đẳng y Bạch Mai, trung cấp y An Khánh.

Trung Tâm Y Học Hạt Nhân & UB là nơi chẩn đoán và điều trị bệnh ung bướu: Kết hợp các phương pháp lâm sàng, cận lâm sàng chẩn đoán bệnh ung bướu; Điều trị bệnh ung thư bằng các phương pháp: Nội khoa, hoá chất, điều trị đích, miễn dịch, phẫu thuật và xạ trị...

Viện có chức năng khám, giám định y khoa để xác định tình trạng sức khỏe, tỷ lệ phần trăm (%) tổn thương cơ thể do thương tích, bệnh, tật, bệnh nghề nghiệp cho các đối tượng theo yêu cầu của các tổ chức, cá nhân theo quy định của pháp luật

Viện Sức khỏe Tâm thần là một Viện trực thuộc Bệnh viện Bạch Mai. Viện được thành lập theo Quyết định số 784/QĐ-BYT của Bộ Y tế, ký ngày 08/08/1991. Đây là một Viện đầu ngành về Tâm thần học

Viện Tim mạch Quốc gia là khám và điều trị các bệnh nhân Tim mạch với ứng dụng kỹ thuật cao bao gồm 3 lĩnh vực tim mạch: nội khoa, can thiệp và phẫu thuật ở cả hai đối tượng: người lớn, trẻ em.