Эта операция предполагает вскрытие переднего средостения путём парастерального разреза, резекции II хряща и удаление одного или нескольких ЛУ для последующего гистологического исследования. Техника операции детально разработана Стеммером и Чемберленом в 60-е годы XX века.
Показанием к выполнению данного вида биопсии является поражение переднего средостения или корня лёгкого. Эта часть грудной полости трудно доступна для медиастиноскопии. С появлением торакоскопии биопсия зоны переднего средостения стала производиться при помощи этой методики. Однако при синдроме верхней полой вены, когда общая анестезия может быть опасна или противопоказана, медиастинотомия заменяет видеоторакоскопию, поскольку может быть выполнена под местной анестезией. Кроме того, при необходимости биопсии переднего средостения у ослабленных больных, не переносящих однолёгочную вентиляцию, видеоторакоскопия также невозможна, а наиболее приемлемым вариантом хирургической биопсии остаётся медиастинотомия по Чемберлену.