1952年院系调整，机械工程学系与北京大学及燕京大学机械系合并后，分为机械制造系和特种冶金系，增设了光学仪器、精密仪器和特种冶金及材料3个专业；在动力机械系内成立农机学院，汽车专业是其中的主要专业。3年后，动力机械系改名为动力与农机系。1977年，“冶金系”改名为“机械工程系”。1978年，在锅炉、燃气轮机（后为热力涡轮机）、汽车和内燃机等专业的基础上，正式成立热能汽车工程系，并将锅炉专业更名为热能工程专业。1980年，空调专业并入热能汽车工程系。

80年代初，“精密仪器及机械系”改名为“精密仪器与机械学系”。1988年，热能汽车工程系正式分为由热能工程、热力涡轮机（现为动力机械工程）、空调等专业组成的热能工程系和由汽车、内燃机专业组成的汽车工程系。

1996年1月，由精密仪器与机械学系、机械工程系和汽车工程系组成机械工程学院。1998年10月，为了促进多学科的交叉和综合，热能工程系和工程力学系进入机械工程学院。2003年成立工业工程系。2004年5月18日，我校成立航天航空学院，工程力学系划归该学院。目前，清华大学机械工程学院包括：精密仪器与机械学系、机械工程系、汽车工程系、热能工程系和工业工程系。

1993年，清华大学在全国率先开始进行机械设计系列课程体系改革与实践，突破了以往着眼于一门课程优化的建设思路，着力进行系列课程中各门课程的系统整合、整体优化和课程内容的改革工作。

机械工程实验教学是机械工程教育的重要内容，实验教学中心在工程实践教育领域具有十分重要的地位。1996年，教育部启动“国家工科基础课程教学基地”建设规划，我校成为首批8个“国家工科机械基础课程教学基地”之一，由此拉开了机械工程实验教学中心建设的序幕。经过8年的建设，于2004年通过教育部验收并被评为优秀基地，使我校机械工程教育迈上了一个新台阶。经过国家工科机械基础课程教学基地的建设，建立了以培养学生综合设计能力为目标的“纵向贯通、横向拓宽、重组课程、更新内容、整体优化”的课程改革思路，在以培养学生综合设计能力和创造性能力为中心的机械基础课程及训练新体系和加强学生工程实践能力的机械基础实验教学新模式等方面取得了显著的成绩。

从2000年开始，清华大学提出并推进按大类培养的人才培养模式，以适应新世纪高素质、高层次、多样化、创造性骨干人才的培养目标。通过充分的国内外调研，提出将机械制图、机械原理、机械设计和制造工程基础课程规划为“设计与制造课程模块”，将测试与检测技术基础和控制工程基础课程规划为“检测与控制课程模块”，作为机械工程学院的平台课程，明确制定了各门课程的分工与接口，并确定了建立机械工程实验教学中心平台的实验室建设方案，将机械基础实验室的建设经验和教学模式拓展到各个技术基础课程的实验室建设和实验教学平台建设中，以学院的教学实验室和学科实验室为基础建立更规范、更系统的实验教学平台以支撑各个模块课程的实验和实践教学。

为此，在“国家工科机械基础课程教学基地”教学平台的基础上，充分发挥我校机械工程领域的学科科研优势，将“制造工程及自动化”、“测控技术与仪器”和“车辆工程”的专业基础和专业教育纳入到机械工程实验教学中心，实现了基础教学与专业教学的有机结合，形成了以基础教学为主、涵盖机械工程领域专业教育的综合性实验教学中心。