กรมอนามัย กระทรวงสาธารณสุขได้จัดงบประมาณ สร้างสถานีอนามัยชั้นหนึ่งและอาคารต่างๆโดยไดัรับบริจาค ที่ดินจากประชาชนบริเวนสถานีตำรวจภูธรอำเภอพิชัย หมู่ที่ 3 ตำบลในเมือง อำเภอพิชัย จังหวัดอุตรดิตถ์ ซึ่งได้เปิดบริการเมื่อวันที่ 8 ธันวาคม 2509 โดยมีนายแพทย์ประยูร บุญเพียร เป็นหัวหน้าสถานีอนามัยชั้นหนึ่งแห่งนี้เป็นคนแรก การใช้บริการในระยะแรกประชาชนมารับบริการไม่มากหนักเพราะขาดแพทย์อยู่ประจำในปี พ.ศ.2516 จึงได้มีการจัดสรรให้มีแพทย์ประจำหมุนเวียนท่านละ 6 เดือน ทำให้ประชาชน มารับบริการเพิ่มขึ้น
ต่อมาทางราชการ ได้เปลี่ยนชื่อจากสถานีอนามัยชั้นหนึ่ง เป็นศูนย์การแพทย์และอนามัย และเปลี่ยนชื่อเป็นโรงพยาบาลพิชัย ในปี พ.ศ.2522 ขณะนั้นสถานที่ตั้งโรงพยาบาลเดิมมีเนื้อที่คับแคบไม่สามารถขยายอาคารสำหรับให้บริการผู้ป่วยซึ่งเพิ่มจำนวนมากขึ้นได้เพียงพอ กระทรวงสาธารณสุขจึงอนุมัติให้ก่อสร้าง โรงพยาบาลขนาด 10 เตียงขึ้นที่บริเวณหมู่ที่ 1 ระหว่างทางถนนสาย พิชัย – บ้านแก่ง ตำบลในเมือง ห่างจากตัวอำเภอประมาณ 2 กิโลเมตร ซึ่งเปิดให้บริการเมื่อเดือนเมษายน 2527 และในเดือนพฤศจิกายน 2527 ได้รับบริจาคจาก ท่านพระครูธรรมมานุรักษ์ เจ้าคณะอำเภอพิชัยและพ่อค้าประชาชนในอำเภอพิชัย สร้างตึกสงฆ์อาพาธ ให้แก่โรงพยาบาลและในเวลาต่อมานายแพทย์สุเพียว อึ๊งวิจารณ์ปัญญาผู้อำนวยการโรงพยาบาลพิชัยและนายพิชัย วรรณพัฒน์นายอำเภอพิชัย สภาตำบลในเมือง และกระทรวงมหาดไทยอนุมัติให้ใช้ที่ดินสาธารณะจำนวน 65 ไร่ ขยายเป็นโรงพยาบาล 30 เตียง ซึ่งรวมมีเนื้อที่ทั้งหมดเปิดให้บริการแก่ประชาชน เมื่อ 16 กรกฎาคม2530 จนถึงปี 2544 ได้ขยายเป็นโรงพยาบาลขนาด 60 เตียง และได้ผ่านการรับรองมาตรฐานโรงพยาบาลฉบับปีกาญจนาภิเษกซึ่งเน้นการพัฒนาคุณภาพการดูแลผู้ป่วย โดยสถาบันพัฒนาและรับรองคุณภาพโรงพยาบาล เมื่อวันที่ 10 มกราคม 2546 และได้ดำเนินการปรับปรุงด้านอาคารสถานที่ และบริการด้านสุขภาพมาโดยตลอดจนถึงปัจจุบัน