1932年夏，清华大学工学院成立，内设机械工程学系、电机工程学系和土木工程学系。建系之初设立3个学科组：原动力工程组、机械制造工程组、飞机及汽车工程组。

1933年，机械工程馆（位于现二校门东侧，现热能工程系系馆）动工。

1934年，飞机及汽车工程组更名为航空工程组，而其中的汽车工程部分则并入原动力工程组。

1935年春，机械工程馆落成，其一层为热工实验室。在一院（清华学堂）东边建有金、木、锻、铸等机械制造工场。

1937年抗战爆发，清华大学、北京大学、南开大学南迁，组成长沙临时大学。1938年2月，长沙临大又西迁昆明成为西南联大。

1945年抗战胜利后，组成西南联大的三校分别北返，次年10月清华大学复学。复学后的机械工程学系有学生340人，为全校最大之系。此后两年内，机械工程学系除恢复了原有的热工实验室及金工厂外，还新设了金属学实验室。

1949年北平解放时，机械工程学系大部分教师和工作人员都留在学校，参与了建国初期清华大学的建设。

1952年全国高校院系调整，北京大学和燕京大学两校的机械系转入清华大学，与清华的机械工程学系合并组成了机械制造系和动力机械系。动力机械系内设有2个专业：热力动力装置专业（后改名为热力发电设备专业）和汽车专业（后改为汽车拖拉机专业），两系除专业教学外，分别承担全校的一些技术基础课，如机械制图、机械原理与设计、金工实习、热工学等。

1956年，建立了燃气轮机专业。同年，又由王补宣教授负责新建工业热工专业，1957年底改名为工程热物理专业，1960年，该专业转到工程力学系。

1955年，建成铸造、锻压、焊接及金属热处理实验楼（即焊接馆）及铸造和锻压试验基地。

1956年，机械制造工程专业与金属切削机床及其工具专业合并为机械制造工艺、金属切削机床及工具专业。同年“汽车楼”和汽车试验室、发动机试验室落成。

1958年，机械制造系增设精密仪器制造专业。

1960年，机械制造系分为“精密仪器及机械制造系”和“冶金系”，分别负责冷热加工两类专业的教学工作，但两系仍建同一党总支。1960年10月，在动力机械系原有汽车拖拉机专业的基础上，建立了农业机械系，但与动力机械系合署办公，同一党总支、同一行政领导班子。

1963年，两系改名为动力与农机系。

1965年，精密仪器及机械制造系系馆（9003大楼）落成。精密仪器及机械制造系和冶金系完全分开。

1970年初，动力农机系和冶金系撤消。汽车拖拉机专业改为汽车专业，与冶金系各原有专业、精仪系的机械制造专业和学校机械厂合并，成立清华大学汽车厂，“以厂带学”。原动力机械系的热点专业改称锅炉专业，并与燃气轮机专业并入当时的电机系（改称为电力工程系）；热工量测及自动控制专业并入自动控制系；热工教研组转到化学工程系。

1971年，校汽车厂停止生产汽车，恢复校机械厂，而计划入厂的冶金系各专业（铸、锻、焊、金属材料）连同汽车专业、机械制造专业合成为机械制造系。同年，精密仪器及机械制造系改称精密仪器系。

1972年，精密仪器专业改为陀螺导航与自动控制专业。

1977年，汽车专业连同1970年被归属于电力工程系的热能电力装置、燃气轮机两专业回归动力机械系建制，机械制造专业也回归精密仪器系。于是，机械制造系只留下了原冶金系的4个专业：铸造、锻压、焊接和金属与热处理，系名改为现在的机械工程系。

1978年，动力机械系更名为热能工程系，热电专业改名为热能工程专业，并增设内燃机专业。

1979年，供热与通风专业从土木工程系转入热能工程系，更名为空气调节工程专业。同年，实验电厂归属热能工程系，锅炉教研组改名为热能工程教研组。

1980年7月，由热能系的汽车专业和内燃机专业组建汽车工程系，但仍与热能工程系合署办公，共有一个系党委和一套行政班子。

1984年，精密仪器系更名为现今的精密仪器与机械学系。

1989年，精密仪器专业和光学仪器专业合并为精密仪器仪表专业（1995年改称测控技术与仪器专业）。

1990年，热能工程系和汽车工程系的党政机构正式分开。热能工程系设有热能工程、热力涡轮机（现为动力机械工程）、空调3个专业。汽车工程系设有汽车和内燃机2个专业。

1993年，热能工程系的热力涡轮机专业改称动力机械及工程专业，汽车工程系的汽车、内燃机2专业合并成汽车工程专业。

1996年1月，学校决定由机械工程系、精密仪器与机械学系和汽车工程系组成机械工程学院。

1997年，汽车工程专业改名为车辆工程专业，仍包含发动机方向；同年，精密仪器与机械学系增设工业工程专业。

1998年10月，为了加强学科建设，促进多学科交叉、融合，学校又决定将热能工程系和工程力学系并入机械工程学院。热能工程系各专业、工程力学系的工程热物理专业以及汽车工程系“动力机械及工程”学科的研究生均属于“动力工程与工程热物理”一级学科。汽车工程系“车辆工程”学科的研究生则同机械工程系、精密仪器与机械学系各专业的研究生同属于“机械工程”一级学科。

2001年8月，学校决定成立工业工程系，隶属于机械工程学院。

2004年5月，清华大学航天航空学院成立，工程力学系从机械工程学院划转入航天航空学院。

2008年7月，由机械工程系和精密仪器与机械学系相关教师成立航空宇航制造工程二级学科，挂靠机械工程系。

2008年11月，学校调整清华大学基础工业训练中心的隶属关系，将该中心由清华产业系统划转至机械工程学院。至此，清华大学机械工程学院形成了以机械工程学科为主，包括机械工程系、精密仪器与机械学系、热能工程系、汽车工程系、工业工程系以及基础工业训练中心的局面。

2012年12月，学校决定成立清华大学精密仪器系，由原精密仪器与机械学系仪器与光学学科组成。并由原机械工程系和原精密仪器与机械学系中机械工程学科教职工组建新的机械工程系，同时撤销精密仪器与机械学建制。