清华大学精密仪器与机械学系拥有强大的科研实力，设有多个国家级和重点实验室，如“摩擦学”国家重点实验室和“精密测试技术与仪器”国家重点实验室，以及“国家CIMS”和“光盘”两个国家工程研究中心。此外，还有微米纳米技术研究中心、宇航技术研究中心和绿色制造中心等，以及国家工科机械基础教学基地、现代测试教学中心和创造性设计实验室等7个教学中心或基地。
该系科研工作致力于服务国民经济并紧跟科技前沿，每年承担包括国家重点科技攻关项目、973基础研究项目、863高技术项目、国家自然科学基金项目等众多科研项目，数量超过百项。早在1958年，该系就成功研制了我国第一台数控机床，与美、苏、日等国并驾齐驱。60年代，研制的我国第一台劈锥铣为国防做出了贡献。70年代，研发的半导体设备如分步重复自动照相机、光刻机等，其中“分步相机”广泛应用并受到好评；磁盘测试仪器的开发也推动了我国电子工业的进步。在“七五”和“八五”期间，大型机械制造业的大尺寸测量研究达到世界先进水平，多项成果如大型电站发电机组状态监测与故障诊断系统和光/热效应型可直接改写光盘技术研究，分别获得了国家级奖项。
进入90年代，该系与自动化系、机械系等合作建立了我国首个CIMS实验工程中心，并荣获美国制造工程师学会颁发的“大学领先奖”。摩擦学和微米/纳米技术的研究成果更是达到了国际先进水平，为学科发展开辟了新方向。在“七五”期间，该系已获得32项奖励，“八五”期间科研经费显著增长，共获得33项国家级和省部级奖项，包括国家发明奖的多个级别，显示了其在先进制造技术和微米/纳米技术领域的突出贡献。
清华大学精密仪器与机械学系建立于1984年，其前身为成立于1932年的清华大学工学院机械系，五十年代院系调整为清华大学机械制造系，六十年代初又调整为精密仪器与机械系，八十年代更名为现今的精密仪器与机械学系。 近年来，随着微电子、计算机、自动控制、激光等新技术及 现代机械设计、现代制造工程、现代控制及信息理论的发展，我系不断突破传统领域，更新教学内容，使之适应世界科学技术的发展和国民经济建设的需要，逐步形成了机、光、电结合多学科交叉的特点。