1957年初，为了适应经济与国防建设的需要，培养新兴科学技术中有关力学及计算数学方面的专业人才，在钱学森先生的倡导下，成立了工程力学研究班，钱伟长教授为首任班主任，郭永怀教授和杜庆华教授为副班主任。工程力学研究班共办了3届，毕业生323人，其中大多数成为了我国力学学科教学和科研的骨干力量。

为了满足日益发展的国防与国民经济对力学人才的需求和高校对高质量力学教师的要求，1958年7月3日，清华大学1957～1958年度第七次校务行政扩大会议决议，成立工程力学数学系。设立流体力学、固体力学和计算数学三个专业，相应建立了三个专业教研组，学制为六年。

工程力学数学系是以数学、物理、力学等基础学科为基础，研究技术科学理论，又与生产实践相结合，解决工程设计提出的问题，培养有社会主义觉悟、又红又专的力学和计算数学人才。

1960年5月，学校考虑到技术科学的共同性质、促进航空航天项目的进展，又将动力机械系的工程热物理专业调整到工程力学数学系（注：工程热物理专业的前身为1955年成立于动力系的工业热工专业。1957年春学校决定停办工业热工专业，并改为成立面向军工服务的热物理专业，代号410。1958年2月热物理教研组在动力系馆正式成立。）。1961年根据国家的需要成立了固体力学专业、一般力学专门化。这时的工程力学数学系有四个专业和一个专门化；有五个专业教研组即610，620，630，640与650教研组和六个实验室。后来取消了代号，相应地称为流体力学、固体力学、计算数学、工程热物理和一般力学五个教研组。

“文革”期间，从1969起先后分别将计算数学调整到计算机科学与技术系和应用数学系；一般力学调整到精密仪器系，工程力学数学系改名为工程力学系。直到1978年，一般力学又调回到工程力学系。在1972-1976年期间，先后招收了5届工农兵学员共计363人。

1977年恢复高考招生制度。工程力学系流体力学、固体力学和工程热物理专业恢复招收本科生，学制五年。同年开始规模招收硕士研究生，学制2-3年。

1980年固体力学、流体力学专业开始招收博士研究生。

1982年基础课委员会中的理论力学和材料力学两个教研组与工程力学系合并，从此工程力学系又承担起全校力学课程的教学任务。

1983年为更好的开展科学研究工作，成立了工程力学研究所；工程热物理专业与热能工程系联合成立热能工程与工程热物理研究所。

1985年从科学发展和社会需要出发，将流体力学和固体力学专业合并为工程力学专业。为进一步适应国民经济发展的需要和高科技对力学人才的要求，从1990年起，确定在本科招生中，力学系的专业改写为，工程力学（工程力学与计算机应用）及工程热物理（热科学、热能技术与控制）两个专业。主要培养力学及其相关的工程设计、新技术开发以及高新技术相结合的工程力学，工程热物理和计算机应用人才。

到1991年，全系设有七个教研组，设有包括六个研究室的工程力学研究所，还有地震波勘探开发研究所，以及有装备了现代化设备的十个实验室和计算机室。固体力学、工程热物理被评为全国重点学科。

1993年破坏力学实验室成为国家教委开放研究实验室。

1996年力学学科被首批批准按一级学科行使学位授予权。

1998年全面实行本科-硕士统筹培养计划，当年力学系有41名同学纳入本硕贯通培养计划。工程热物理专业获得动力工程及工程热物理一级学科博士学位授予权（与热能系共建）。

1999年逸夫技术科学楼建成，工程力学系迁入，教学和实验条件获得了极大改善；实行了系管教学，将教研组改为研究所，相继成立了固体力学、流体力学、工程热物理、工程动力学研究所。国家教委开放研究实验室“破坏力学实验室”更名为“破坏力学”教育部重点实验室，2009年更名为应用力学实验室。在全国首批百篇优秀博士论文的评选中，力学系有两篇博士论文入选。

2001年在教育部重点学科的评估工作中，固体力学列一级学科（力学）第一，流体力学列二级学科第一、一级学科第六，工程热物理专业（与热能系共建）列一级学科（动力工程及工程热物理）第一。与华南理工大学和北京工业大学三校联合组建"传热强化与过程节能"教育部重点实验室。

2002年增设国防定向的“飞行器设计与工程”专业，招收21名国防定向生；

2003年与热能系共建‘煤的清洁燃烧技术教育部重点实验室’。

2003年成立了“传热与能源利用”北京市重点实验室。