机械工程系现拥有机械设计、制造工程和成形制造三个学科方向，设有设计工程、摩擦学、制造工程、机械电子工程、材料成形制造、成形装备与自动化等 6 个研究所，并建有高端装备界面科学与技术全国重点实验室、清洁高效透平动力装备全国重点实验室、国家 CIMS 工程研究中心、先进成形制造教育部重点实验室、精密超精密加工装备与控制北京市重点实验室、生物制造与快速成形技术北京市重点实验室。2014 年在天津市东丽区成立的“清华大学天津高端装备研究院”，2015 年与德国亚琛大学联合成立的“高端装备创新设计制造国际合作联合实验室”，2016 年获批建立高端装备创新设计制造北京市国际科技合作基地，为机械系的学科发展又增添了技术转移和国际合作平台。
机械工程系科研工作始终坚持面向国际学科前沿和国家重大需求两个方向，在航空航天、能源装备、交通运输、IC 装备以及生医工程等领域开展基础研究与先进技术开发。主要研究方向包括：智能制造与机器人、微纳制造与IC 装备、生物制造与医疗装备、关键零部件与高端装备等。
机械工程系在各个历史时期，为国家的科技进步创造了多项“第一”。1958 年研制成功我国第一台数控机床，与美、苏、日几乎同步，并获国家科委新技术奖；1960 年代参加完成了我国第一台核反应堆池壳的焊接制造任务，与公司合作研制了我国第一台真空电子束焊机、第一台 60MN 自由锻液压机、第一台劈锥铣等；1970 年代，研制开发了分步重复自动照相机、图形发生器、光刻机、电子束曝光机工件台等半导体加工设备；参与研制了我国第一台预应力钢丝缠绕 15MN 热等静压压机，在国际上首次提出了“等剪应力缠绕理论”。
进入 21 世纪后，机械系更是紧密围绕国家重大需求，解决了多个行业的＂卡脖子＂问题。
IC 制造装备方面
◆ 研制出我国首台应用于极大规模集成电路制造的关键装备12 英寸化学机械抛光（CMP）机
◆ 研制出我国首台应用于极大规模集成电路制造的关键装备65 纳米光刻机平面电机双工件台
航空制造装备方面
◆ 研制出国内首套飞机整体自动化喷涂系统并正式投产
重型装备方面
◆ 研制当时世界上最大吨位的 3.6 万吨黑色金属垂直挤压机
◆ 生产出了我国第一支大口径厚壁无缝钢管
◆ 成功研制了世界之最的 6.8 万吨多功能压机机组，并于 2021 年挤压出了世界上最大口径的钛合金无缝管
能源装备制造方面
◆ 与上海电气合作研制成功的核电汽轮机低压焊接转子，用于我国首台海外“华龙一号”机组，并于2021 年投运
近年来，在下一代超大规模集成电路制造的超低下压力平坦化装备、超精密光刻机工件台、重型模锻 / 挤压装备、焊接转子等重大核心装备及关键零部件的研制，在纳米摩擦学、界面减阻、转子动力学与故障诊断、细胞三维打印等基础前沿研究，取得了一系列理论和技术成果。
近 3 年，全系师生在国内外学术刊物及学术会议上共发表论文 1800 多篇，SC| 收录论文1100 余篇; 获得国家发明专
利授权 1043 项，其中成果转化107 项，转化金额和股份共计6610.2 万元。2021-2023 累计合同额达 16.04 亿元。
