清华1926年设立化学系。数年间，清华化学系迅速跻身为国内化学教育与科研中心之一。解放之初，美国封锁新中国，清华创办化学试剂厂，向市场供应当时不能进口的化学纯和分析纯的试剂，还试制了仿美国Pyrax牌的Tyrax牌玻璃，这Tyrax的T，即表示“清华(Tsinghua)”。
打好基础开创局面
清华自建校伊始即重视数学、物理、化学、生物的自然科学教育，1911年“清华学堂章程”中将课程分为10类，其中“物理化学”为一类，共计8学分。 1922年高等科课程中，化学作为自然科学部课程，分初级、高级两种，各4学分。化学课程的设置及良好的师资，为学校以后筹建化学系打下基础。
1926年，清华第一次评议会通过设立化学系。建系时，有教师5人：杨光弼（系主任、兼学校建筑委员会主席）、梁传铃、赵学海、高崇熙、沈镇南，皆为原留美预备部的化学教员。系主任杨光弼是1911年出国的清华第三批直接留美生，1915年接受周诒春校长的聘请来清华任教。
1929年，张子高、黄子卿、萨本铁等应聘为化学系教授。从1929年以后，张子高担任系主任到抗战爆发，课程设置和系的发展规模基本稳定下来。张子高是 1909年出国的清华第一批直接留美生。回国后，先后在南京高等师范学校、浙江大学等校任教，1929年起长期在清华任教，是我国著名的化学史家和化学教育家。
化学系自建系起便十分重视实践，着重于学生基础知识与基本技能的培养，即：“具化学上之基本知识，复习化学工业上之专门技能。于是进而令其专研究某一种问题，别有发见，独自深造。或继续他人研究未竟之问题，或光而大之……即西人所谓Research及Original work是也。”为此，除必修课外，化学系又开出专门性的选修课，学生根据自己兴趣与专长来选修。教学中极其重视教材或讲义的学术水准，各门课程大都采用欧美著名大学的教本或老师自己编写的英文讲稿和实验讲义。
化学系在建系时位于科学馆三楼，共有普通化学、定性分析、定量分析3个实验室；实验室总面积达4200余平方尺，可同时容纳90～124人做实验。而当时学习化学的同学仅有100余人，因此人均实验室面积非常宽敞。此外，实验室仪器设备“莫不应有尽有，且多购自美德二国，质品优良。”化学药品“不仅全备而已，且属上等质品。”高崇熙教授自美国带来117种稀见元素化合物，在当时战乱不止的中国，是收有此类实验物品最全的。这些相对优越的条件，使化学系发展之始便在一个很高的起点上。
迅速跻身国内一流
1933年，四层楼的化学馆落成，面积达1万平方尺左右，极大地改善了化学系的办学条件，成为当时国内大学惟一拥有专用楼馆的化学系。仪器方面也已购置了约10万元的设备，除普通仪器外，大多为专门研究需用，每年还购置万余元的书籍、杂志，以备教学、科研之用。至1934年，已有价值约7万元的书籍，包括专门书籍700余本，杂志40余种。英、美、德、法、荷、日、瑞士以及印度等国化学杂志均有一种或数种不等。至1936年，化学系有教授6人、助教9 人。
雄厚的师资、优良的实验条件，极大地推动了化学系的科研，并取得了优异的成绩,成为全国最好的化学系之一。从1933年到1936年，《中国化学会志》共发表203篇论文，其中清华化学系有57篇，占总篇数的29.2%。
抗日战争期间，清华与北大、南开组成西南联合大学，三校化学系合组西南联大化学系，在艰苦条件下，培养出一大批人才。抗战胜利后，化学系积极克服战争破坏，努力恢复教学，提高科研水平，至新中国成立时，已成为国内高校中师资力量最雄厚、学术水平最高的化学系之一。
1952年院系调整，除张子高等少数教师留在清华承担全校普通化学基础课教学及实验外，化学系随理学院并入北大。
大步迈向新的辉煌
1958年，学校设立工程化学系，张子高任系主任。“文革”期间，工程化学系改名化学工程系。1978年恢复工程化学系名称。为了适应清华建设一流大学和学科发展的需要，1978年在化工系恢复招收“物理化学与仪器分析”专业的理科学生，并招收应用化学（分子光谱、仪器分析）硕士生。1980年，工程化学系改名为化学与化学工程系。1985年，化学与化学工程系分为化学系和化学工程系。化学系重建后，继续招收物理化学硕士生，并从1986年开始招收本科生，1991年建立物理化学博士点并开始招收博士生。
目前，化学系的研究方向覆盖近代化学的各个领域。在均衡发展化学各二级学科的基础上，特别关注和发展前沿交叉学科新的生长点。光电子材料、纳米材料、生物医学材料等功能材料的研制，以及生命科学中的化学问题的研究，已成为化学学科发展的热点。
