工业工程致力于解决与效率、质量、成本和安全相关的系统问题。
当代社会面临的挑战多为复杂系统问题，如：管理全球生产网络、建立高效医疗卫生服务系统、构建交通运输设施与运营网络、打造安全有效的能源供应体系等。这些挑战不仅涉及复杂的技术，而且与政策及其实施密切相关。应对这类挑战大都需要创新地将多个学科的知识和方法有机结合起来。工业工程系综合运用来自工程、管理和社会科学的知识，发挥交叉学科的优势，探索创新的解决方案。
工业工程系的科学研究快速发展，已承担几百项包括国家杰出青年科学基金、国家优秀青年基金项目、国家自然科学基金、科技部重点研发计划项目、教育部新世纪优秀人才支持计划、省部级项目和国内外企业合作项目。一批科研成果获得国家级及省部级科研奖励，每年在重要国际期刊发表高水平的学术论文数十篇，教师担任国际学术期刊的编委约50人次。
运筹学与数据科学研究所：运筹学与数据科学研究所擅长运用数据科学的方法从海量数据中获得洞察（insights），再运用运筹学的方法基于这些洞察帮助政府和企业实现最优决策。经过近二十年的发展，研究所已发展成运筹学和数据科学领域的高水平研究基地、高层次人才培养基地和国际化学术交流基地。运筹学起源于第二次世界大战期间的军事应用，其后被广泛地应用于生产制造、物流与供应链管理、交通运输、医疗服务与运作、能源等领域。它运用数学建模、优化算法、统计分析等手段帮助人们做出科学决策。数据科学是最近十年兴起的交叉学科，它的目的是从数据中挖掘有价值的信息，也即洞察。它涉及数据的获取、存储、清洗、分析及呈现，采用的方法来自多个学科，譬如数学、计算机科学、统计学等。运筹学与数据科学相辅相成，有机融合，共同为实现最优决策服务。
系统运作与数字化管理研究所：系统运作与数字化管理研究所致力于各类系统的高效运作，基于现代管理理念、信息技术以及最新的数据分析、建模与学习方法，挖掘数字化管理的效益。主要研究与应用领域包括数字化制造、物流与供应链管理、生产系统设计与分析、计划与调度、质量管理与控制、宏观质量政策、可靠性工程与管理、机器学习与大数据分析、复杂系统工程、医疗卫生服务系统运作管理、企业集成与信息化等。
人因工程与智能交互研究所：人因工程与智能交互研究所致力于研究人与技术产品及系统的交互，旨在提升系统的综合效能，改善用户体验，保障人员健康与系统安全，最终提升社会福祉和公平。研究所从人的生理、心理及社会属性出发，关注人与软硬件系统以及环境之间的交互，为各领域中的产品、作业、环境和系统（包括智能系统）的设计与评估提供科学依据、指导原则和工具方法。主要研究领域包括人的建模与认知工程、人机交互、工效学产品设计、安全与健康等。
清华大学统计学研究中心：清华大学统计学研究中心是学术独立的校级研究中心，统筹规划清华大学统计学科发展建设，行政上挂靠工业工程系。自2015年成立以来，中心逐步建成了一支以优秀青年人才为主的朝气蓬勃的研究团队，并在清华园建立起完整的统计学人才培养体系，涵盖从本科到博士、博士后的各个层次，每年培养各类统计学人才超百人。在学术研究方面，中心以统计学理论和方法研究为基础，着重推动生物医学统计、工业统计、人工智能和大数据处理等交叉研究前沿方向，取得了丰硕的学术研究成果。
工业工程系研究中心是产学研相结合的平台，通过学术研究、技术转化、管理咨询和教育培训，服务于社会。
清华大学质量与可靠性研究院（与原国家质检总局共建）：致力于先进质量技术和管理体系的研究与应用，协助企业提升产品与服务质量，发展全生命周期的系统保障的理论与技术，提升系统的可信性和可保障性。主要研究方向：国家质量政策与宏观治理体系、质量管理体系、质量控制与改进、企业六西格玛质量管理、可靠性与维修工程、系统维护与备件管理等。
清华大学工业文化研究院（与工信部共建）：发挥工业和信息化部的决策协调作用和清华大学的综合研究优势，集研究、咨询、培训、交流及国际合作于一体。重点打造工业文化学术高地和交流平台，通过建立工业文化学科体系，为工业文化提供理论保障和智力支持，并成为协助工业和信息化部推进中国特色工业文化发展的专家智库；建立工业文化资料与公共数据平台，为研究者、决策者和实践者提供支撑，促进国内外工业文化的交流与合作研究。
清华大学智慧物流与供应链系统研究中心（与山东省胶州市共建）：运用清华大学的智力优势，促进产学研深度融合，引进高科技创新项目，搭建物流科技转移的桥梁，成为物流科技企业的孵化器，国内外技术成果转化的加速器，产业驱动的创新研究平台，供应链和物流经济的智库和公共服务平台。以市场产业需求为驱动，以物联网先进技术为先导，以创投基金为支持，促进科技技术成果与知识产权转化与落地孵化。主要研究方向：企业物流体系、区域物流战略、物流配送中心设计、物联网技术、航空交通调 度、集装箱多式联运、交通枢纽运行优化等。
生产系统与运营管理研究中心：面向制造业，提供新一代生产系统技术和先进生产管理方法，帮助企业达成世界级制造。主要研究方向：生产运营管理，先进生产计划与调度，精益生产，生产系统分析与优化，生产物流，制造自动化，生产中的环境、安全与健康等。
复杂系统工程研究中心：围绕航空、航天、船舶、兵器、核工业、交通运输与电子通信等我国重大复杂装备系统，以需求为导向，研究面向复杂系统全生命周期的复杂系统工程基础理论、建模方法和分析技术，为需求方提供确保复杂系统成功实现的跨学科方法和手段。中心旨在发展复杂系统工程学科，面向国家和国防的重大工程，提升我国系统工程领域在国际上的学术地位及影响力；推进系统工程在工业界的应用和实践，推动我国重大装备研制创新以及体系工程能力的快速发展。主要研究方向：复杂组织体架构（EA）；复杂系统工程（CSE）、体系工程（SoSE）和基于模型的系统工程（MBSE）的方法论、技术、工具及相关应用研究。
数据化管理研究中心：以实际问题为导向，以数据为中心和出发点，研究大数据背景下的数据分析工具和模型。探索生产和服务系统里的创新，据此发现提升效益的新手段和改善管理的新知识，并利用实际数据量化其对运营的影响。主要研究方向：零售业、智慧城市、智能交通、医疗服务、互联网电商平台。
高端装备智能制造研究中心：以工业工程理论和方法体系，带动高端装备制造企业的科学管理转型升级、智能技术手段应用，使我国高端装备从技术上和管理上都可以与国际先进企业同台竞争。主要研究方向：智能制造解决方案规划、智能制造关键方法与技术研究、智能制造、卓越运营等领域的交流与培训、转型升级战略智库。
高端装备与关键设施健康管理研究中心：致力于产学研结合提高我国高端装备与关键基础设施的健康管理水平。研制、开发健康管理系统以及工具，在重点行业推广使用，并最终制定国家或行业相关标准。主要研究方向：PHM、预测性维护、维修优化、设备管理、保障性工程。
卫生与医疗服务研究中心：该中心的中远期定位是在复杂系统优化的层面，成为国家卫生医疗事业的战略发展智库，提供卫生医疗服务和政策的科学支持。中心将致力于成为国际高影响力科研成果的产出平台、新时代卫生医疗行业决策和管理人才培训基地，实现卫生医疗管理理论实践的升级。主要研究方向：卫生医疗运营管理、医疗服务人因工程、医疗质量和可靠性系统工程、健康老龄化和医养体系设计。
复杂系统人因工程研究中心：致力于提高复杂工业系统的安全性和效率，将人的因素纳入到工程设计、建设与运营管理中， 面向航空、航天、核电站、高铁、船舶、复杂装备等安全关键的领域，以实际问题为导向，开展技术研究与应用、项目咨询和教育培训等服务。主要研究方向：人机团队、人与智能系统的交互、人机集成系统优化设计、人机界面创新设计、人因学评估与验证、系统安全性 和可靠性、人员绩效测量与建模、人的失误及其控制、人员选拔与培训、行为数据分析、安全管理等。
企业信息化研究中心：推动企业信息化建设，研究生产与运作管理中的问题，并为之提供信息化解决方案。
主要研究方向：企业信息系统规划、流程设计与优化、企业信息化（ERP/MES/PLM）等。
工业工程应用研究中心：为传统行业的转型、升级和发展提供先进的工业工程方法与技术，并为同类企业提供咨询服务。已有研究成果：精益生产体系（标准作业和工时系统、精益生产线、快速换线、精益物流、目视管理、生产线平衡）；精益制造执行系统（标准工艺/作业/工时、生产调度与进度控制、生产数据收集与绩效考核）。
能源生产仿真与优化研究中心：应对能源供应风险，打造安全高效的能源生产与供应体系。已有研究成果：原油采购与调度优化，基于风险的设备维修管理，人事与培训管理决策支持。
