1932年，清华大学建立电机工程系电讯组。
1952年9月，在电机工程系电讯组基础上建立清华大学无线电工程系。
1952年，全国进行院系调整，将清华大学电机系电讯组与北京大学工学院电机系电讯组合并建立清华大学无线电工程系；建系初，全系仅15名教师、5名职工和3个年级共百余学生；师生陆续开出了“无线电基础”等课程，并及时翻译出版了《无线电基础》《电子管》两本前苏联教材，这是中国国内首批出版的无线电工程类的苏联教科书。
1958年，根据学科发展的需要，系更名为无线电电子学系；当年，建系后招收的第一届学生毕业，教学计划已执行了全过程；大部分师生下厂，参加了第一个五年计划中兴建的电子类工厂的建厂及生产实践，接触了生产实际；此后，校内师生积极开展科学研究，全系进入了教学、科研、生产三结合的发展时期，并同中国国内科技界、工业界更密切地结合起来。
1963年清华大学与四机部第十研究院联合在无线电电子学系设立了无线电电子学研究室，由十院提出研究课题，提供经费并选派青年科技人员组成协作队，参加研究室工作；到20世纪60年代初，全系已经形成数字通信、电视、微波技术、微波电子器件、真空技术与半导体器件等学科并恢复招收研究生。
1952年至1965年，共招收大学本科生3089人，研究生96人。到1966年，在系学生已达1200人。
1956年至1966年，无线电工程系完成了600／1200波特数传机，8路PCM通信终端，3cm周期磁场聚焦宽频带小功率行波管，10cm固态低噪声参量放大器等当时属中国国内领先的项目，并在中国国内率先开始了硅晶体管制造和集成电路的研究工作。
1966年，“文革”开始后，在十分困难的情况下，一些教师仍在混乱的环境中为各班学生上课，有的科研小组坚持在实验室或到协作单位继续进行科研工作。
1969到1971年，分两批将无线电电子学系的绝大部分教职工和学生搬迁至四川绵阳县，成为清华大学绵阳分校的主体；1970年开始招生；1972年分校主要基建工程结束。
1978年初，时任校长刘达和老校长蒋南翔报请邓小平同志批准，决定撤销清华大学绵阳分校，搬迁回京，在北京恢复无线电电子学系。
1979年5月，搬迁工作全部结束。 
1978年，无线电电子学系的重建工作从决定搬迁回校即已开始；同年恢复在校本部招生。
1980年底，清华大学考虑到微电子技术的迅速发展和清华大学的整体布局，决定以系的半导体器件与物理教研组和试制车间为基础，建立清华大学微电子学研究所，独立建制；大学生本科生专业仍在无线电电子学系，教学工作由系和所共同负责。
1992年，研究生专业由所单独负责；根据世界电子科学技术发展趋势和中国国民经济发展的需要，全系确定了五个学科发展方向：高速、实时的及多维的信息与信号处理；数字通信与光通信；专用集成电路与集成系统的设计与应用；信息光电子学与集成光电子学；微细加工及微细检测与分析技术。
1989年，由于无线电含义不够确切，系名改为电子工程系，内涵不变。
2013年，开展教师人事制度改革，实行分系列聘用和管理，教研系列实行准聘-长聘制，研究系列实行团队制。
2015年7月，清华电子系在天津中新生态城成立了“清华大学天津电子信息研究院”，旨在推动科研成果转化。
2018年12月10日，获首批全国党建工作标杆院系培育创建单位。
