机械工程学系是清华工学院初建时设立的三个系之一。随着学科内容的不断发展充实，机械工程和电机工程、土木工程一起成为清华工科的三大“老母鸡”学科，经历多次分化改组，“孵化”衍生出多个机械类系别。建系背景
近代西方国家挟坚船利炮优势打开了闭锁的中国大门，为抵御外来威胁并维持自身统治，清朝政府在“富国强兵”的口号下，开始学习和引进西方技术。直到19 世纪20年代初期，工科教育在人们眼中始终是面向实用的教育。随着南京国民政府的成立，全国的经济建设和与之相应的工业化步伐，不仅在量的方面扩大了对人才的需求，在质的方面也要求工科教育去追求更高的水准，因此国民政府出台相关政策，鼓励高校发展工科。
清华工科的历史由来已久：1926年设立工程学系，其中包括机械工程、电机工程及土木工程三科。至20世纪30年代初，清华理学院的数学、物理、化学等系已有一定基础，加之经费较为充裕，形成了发展工学的相对优势。1932年1月28日，清华大学评议会决定设立工学院，当年暑假，工学院正式成立。在已有的土木工程学系外，新建机械工程学系和电机工程学系，其中机械工程学系首批招收新生20余人。
早期发展
机械工程学系首任系主任为庄前鼎。庄前鼎（1902~1962），字开一，上海市人。1925年考取清华学校公费赴美留学，获康奈尔大学机械工程硕士、麻省理工学院化学工程硕士学位，曾任波士顿斯威工程公司、底特律爱迪生电厂和芝加哥电力公司工程师。
庄前鼎非常重视基础教育，他提出：“我们所需要的工程师，不仅仅是一个工程专家，而希望他对于一般的常识，都有相当的认识。我们不能脱离社会来办工程，所以，政治、经济、历史、地理、社会学等都得知道点。……在国内当工程师，最好对于一般的普通工程上的学识也都知道一点。……所以同学们即使选读了机械工程，对于他系的工程功课，如电机工程、工程材料学、水利学等，均应一样重视。”他告诫同学：“大学的工程教育，只给你们一个从事工程事业的基础。在这基础的上面，需得寻求健全的经验。”庄前鼎的这一教育思想，始终贯穿于机械系的教学和科研实践中。
机械系成立时下分三个组：原动力工程、机械制造工程、飞机及汽车工程（1934年改称为航空工程组）。原动力工程组主要训练发电厂之筹划，注重试验、工作及设计等；机械制造组训练机械制造及其步骤；航空工程组注重飞机之设计及引擎之构造。
机械系教师大多为留学回国人员，课程设置多仿照美国工科大学。除了教材外，教师还自编教案，内容多采用国际最新研究成果。机械系基础性的课程约有 70%，教学的一个突出特点是注意平时，注重练习。主要基础课程课后都有习题，习题有难有易，难题启发性大，易题则量多，以训练技巧为主。
教学科研之外，机械系也非常注重科研服务社会的一面，在研制防毒面具与航空研究等方面有突出表现。“九·一八”事变后，机械系与化学、生物等系一道，研制出16000余副防毒面具，支援前线抗日将士。机械系航空组还与国防设计委员会等单位合作，于1936年校庆前研制成功5英尺航空风洞，相关论文被评为 1936年中国工程师学会论文第一奖。这是中国第一个完全自制的风洞，意义重大，轰动一时，也引起国际航空学界的注意。
1935年秋中国机械工程学会筹建之际，在7位发起人中，庄前鼎、刘仙洲、李辑祥、王士倬等4位均来自清华大学机械工程学系，筹备处也设在了清华园中。尤其值得一提的是，在此期间，清华机械系还完成了《英汉对照机械工程名词》（1934年)。此项工作当时在国内尚无先例，这是我国近代工程技术向本土化方向迈出的重要一步，在统一国内机械学科学术共同体的语言、并在更广泛基础上实现国际交流等方面，都有着十分重要的意义。
演变分化
西南联大时期，机械系航空组分离出去组建了航空系。解放后院系调整，燕京大学、北京大学的机械系并入清华，机械工程学系分为机械制造和动力机械两系。 1960年，机械制造系又分为冶金系、精密仪器及机械制造系（简称机械系），同年以动力系汽车拖拉机专业为主成立了农业机械系。
1969年，由冶金系、农机系、机械系的机械制造专业和机械厂、设备厂共同组建汽车厂。1977年汽车厂撤销，不久，与汽车相关的汽车专业和内燃机专业回归动力机械系。同年，动力系改名为热能工程系，冶金系改名为机械工程系，机械制造系改名为精密仪器与机械学系（简称精仪系），农机系后来没有恢复。 1980年成立汽车工程系，与热能系合署办公至1990年。1996年1月，以机械工程学科为主成立机械工程学院，开始了新的发展时期。
