清光绪二十六年（1900年），交通大学添设铁路班。

光绪三十二年（1906年），学校将铁路班升格为铁路科。

光绪三十四年（1908年），增设电机科。

宣统元年（1909年），增设航海科。

民国2年（1913年）初，改电机科为电气机械科，同时调整了课程设置。

民国4年（1915年），电气机械专科由三年制改为四年制。

民国10年（1921年）8月1日起，学校正式改名为交通大学上海学校。除原有的电机科外，新增设了机械科。机械工程科四年级分机厂工务、铁路工务、工业管理等三门。

民国17年（1928年），机械科扩充为机械工程学院。

民国23年（1934年），机械工程学院添设汽车工程门。

民国24年（1935年），将汽车工程门改为自动机工程门，分设汽车组与飞机组，其中“飞机组”成为后来“航空系”、“航天航空学院”的前身。

抗日战争时期，交通大学一度是两地（渝校与沪校）办学，渝校为交通大学本部。

民国30年（1941年），渝校机械系下设铁道、汽车、航空、造船四组。

民国32年（1943年），渝校增设4系，其中与机械工程教育相关的有造船管理系、工业管理系；同时增设轮船、驾驶两专科。

抗日战争胜利后，渝校复原回上海，沪校与渝校两校合一。

民国35年（1946年），组建工学院共有10个系2个专修科，机械工程系为其中之一。

1952年，院系调整，动力部分调出，成立动力机械制造系；同济大学机械系调整到交通大学；调整后的机械工程系更名为机械制造系。仿苏联模式，机械制造系下设5个专业1个教研室，即机械制造专业、锻压专业、铸造专业、焊接专业、金相热处理专业及金工教研室。

1956年，交大开始西迁，机械制造系随迁至西安。经过解放后第八次院系调整，学校的院系设置为5个系：机械制造系、动力机械系、运输起重系、电工器材制造系、电力工程系。

1980年，机械制造系更名为机械工程系，设有机械制造工艺、设备及自动化、金属材料、锻压、铸造、焊接、液压传动及控制等7个专业。

1983年，将金属材料及热处理专业从机械制造工程系分出，成立材料科学与工程系。机械制造工程系设机械制造工艺，设备及自动化，铸造，锻压，焊接，液压状态及控制6个专业。

1986年，与机械工程系相关的科研机构是机械工程研究所（国家教委批准），下设机床基础理论研究室，液压及机械控制研究室，模具研究室，机械故障诊断研究室，激光与红外技术研究室，CAD和CAM研究与开发中心，耐磨材料研究室。

1987年，增机械学系，设机械设计与制造1个专业；设机械设计与制造、机械原理与零件、工程画3个教研室；设机械原理与零件、计算机制图2个实验室。

1992年，机械工程系（简称机械系）下设本科专业为机械制造工艺与设备，锻压工艺及设备，焊接工艺及设备，铸造，机械电子工程（5年制）。机械学系下设本科专业为机械设计与制造。

1994年6月，由机械制造工程系、机械学系两系合并成立机械工程学院。

1999年，机械工程学院成立工业设计系。

2001年，工程院润滑理论与轴承研究所、CIMS研究所并入机械工程学院。

2003年，铸造及焊接专业调整至材料科学与工程学院。

2004年，机械工程学院成立仪器科学与精密制造系。

2008年，机械工程学院成立车辆工程系。