機械工程是清華大學最早建立的學科之一，1932年就成立了機械工程學系，其中包括航空與汽車組。40年代后期，學生人數已居全校工科系之首。
1952年院系調整，更名為機械制造系，設機械制造工藝、鑄造工藝及設備、壓力加工工藝及設備、焊接工藝及設備、金相熱處理5個專業，并且由原動力組擴建成立了動力機械系，正式設有熱力發電（后改為鍋爐）、燃氣輪機、汽車拖拉機3個專業。
1960年，機械制造系分成“精密儀器及機械系”和“特種冶金系”（簡稱冶金系），增設了光學儀器、精密儀器和特種冶金及材料3個專業；在動力機械系內成立農機學院，汽車專業是其中的主要專業。3年后，動力機械系改名為動力與農機系。1977年，“冶金系”改名為“機械工程系”。1978年，在鍋爐、燃氣輪機（后為熱力渦輪機）、汽車和內燃機等專業的基礎上，正式成立熱能汽車工程系，并將鍋爐專業更名為熱能工程專業。1980年，空調專業并入熱能汽車工程系。
80年代初，“精密儀器及機械系”改名為“精密儀器與機械學系”。1988年，熱能汽車工程系正式分為由熱能工程、熱力渦輪機（現為動力機械工程）、空調等專業組成的熱能工程系和有汽車、內燃機專業組成的汽車工程系。
1996年1月，由精密儀器與機械學系、機械工程系和汽車工程系組成機械工程學院。1998年10月，為了促進多學科的交叉和綜合，熱能工程系和工程力學系進入機械工程學院。
2003年成立工業工程系。2004年5月18日，我校成立航天航空學院，力學工程系劃歸該學院。
碩士招生專業（12個）：
機械制造及自動化
機械設計及理論
機械電子工程
光學工程
精密儀器與機械
測試技術與儀器
材料加工工程
車輛工程
動力機械及工程
工程熱物理
熱能動力系統及自動化
管理科學與工程（工業工程）