La Patologia Molecolare effettua indagini di laboratorio, mediante l’uso di metodologie molecolari, nei settori delle patologie ematologiche ed oncologiche con lo scopo di fornire indicazioni diagnostiche, prognostiche e di indirizzo terapeutico. 
Per quanto riguarda le malattie ematologiche la struttura è coinvolta nella valutazione di alterazioni molecolari nelle seguenti patologie:

-    Leucemia Mieloide Acuta
-    Leucemia Mieloide Cronica
-    Leucemia Linfoblastica Acuta
-    Leucemia Linfatica Cronica
-    Neoplasie Mieloproliferative 
-    Sindromi Mielodisplastiche
-    Sindromi Eosinofile
-    Mastocitosi
-    Linfomi 

La struttura opera in strettissima collaborazione con l'Ematologia ed effettua, inoltre, esami molecolari nei pazienti sottoposti a trapianto di midollo osseo.   
E’ centro di riferimento nazionale LABNET per la Leucemia Mieloide Acuta.  

Per quanto riguarda i tumori solidi, la struttura di Patologia Molecolare svolge la propria attività per queste neoplasie:
-    Polmone
-    Colon-Retto
-    Tumori stromali gastrointestinali (GISTs)
-    Ovaio
-    Melanoma
-    Mammella
-    Astrocitomi, Glioblastomi

Il lavoro è condotto mediante l’uso di test molecolari predittivi di risposta alle terapie biologiche mirate. Questa attività si rivolge anche all’identificazione di alterazioni geniche associate a resistenza primaria o secondaria ai farmaci a bersaglio molecolare. Il laboratorio ha una consolidata e pluriennale esperienza nelle indagini molecolari che utilizzano il DNA tumorale circolante nella frazione plasmatica del sangue (biopsia liquida), utile nei casi in cui non sia possibile oppure sia problematico fare valutazioni a livello tissutale offrendo ai pazienti una potenziale opportunità terapeutica.  
E’ centro di riferimento per altre strutture ospedaliere in ambito regionale e nazionale.