Il a pour première mission le soutien transfusionnel des forces armées, sur le territoire français et en opérations extérieures, en temps de paix, de crise ou de conflit. Il collecte le sang dans les établissements du ministère de la Défense, le prépare et le contrôle afin de pouvoir distribuer aux Forces des produits sanguins labiles, tels que plasma, plaquettes et globules. La fabrication du plasma lyophilisé, appelé PLYO ou FLYP (French LYophilised Plasma) est une spécificité du CTSA.
Le CTSA, implanté à Clamart (92) et disposant d’une antenne à Toulon, assure également l'approvisionnement en produits sanguins des hôpitaux militaires de la région parisienne et de Toulon. Le CTSA mène des activités thérapeutiques et de recherche dans le cadre de la médecine régénérative. La recherche sur les cellules souches trouve une application directe en thérapie cellulaire, en hématologie pour les greffes de moelle et en chirurgie orthopédique. Celle sur la production des greffons (peau) sert à la prise en charge des grands brûlés. Le CTSA est un aussi un centre de soins et de formation.
Le CTSA est à la fois subordonné à la Direction centrale du service de santé des armées (DCSSA) et soumis aux règles applicables à un établissement de transfusion sanguine relevant du ministère de la Santé, y compris pour les inspections de l’ANSM (Agence nationale de sécurité du médicament) . Le CTSA est centre de référence en transfusion et immuno-hématologie.