清华大学化学工程系始建于1946年，当年秋季招收第一届本科生，学制四年。1950年开始招收研究生。同年设置了石油炼制专业。至1952年，化学工程系设有化学工程和石油炼制两个专业。1952年8月，清华大学停办化学工程系，同时成立石油工程系。1953年2月，以清华大学石油工程系为基础，国家建立了北京石油学院，同年石油工程系迁出清华大学。
1958年7月，清华大学建立工程化学系，设塑料专业。同年开始招本科生。1960年学校决定将工程物理系的有关原子能化工的专业调整到工程化学系。全系设置三个专业：放射性物质工艺学专业(含天然放射性物质工艺学和人工放射性物质工艺学两个方向)、轻同位素分离与应用专业和高分子化合物专业，学制均为六年。
1960年后，在汪家鼎、滕藤教授等的组织指导下，结合辐射核燃料后处理，开展了铀钚及裂变产物化学性质和萃取工艺、萃取设备方面的系统研究工作。1968年，以工程化学系技术为基础设计的核燃料后处理中间试验厂建成，使我国的后处理工艺在60年代赶上了国际先进水平，为我国核工业的发展做出了重大贡献。
1970年后，学校重新组建化学工程系，设高分子化工、非金属材料、化工设备（后改为化学工程）和基本有机合成四个专业，学制三年半年。
1978年，重新恢复工程化学系的名称，设有高分子化工、非金属材料、化工系统工程、应用化学、物理化学、有机化学、分析化学、无机化学和普通化学等10个教研组和仪器分析中心。设置了高分子化工、化学工程、应用化学（1987年改称工业化学）、无机非金属材料和物理化学及仪器分析5个专业，1977年开始招生，学制均为五年。
1980年2月，工程化学系改名为化学与化学工程系。1985年10月，分为化学系和化学工程系两个系。1987年又将非金属材料教研组及所属专业调出到新成立的材料工程与科学系。1989年化学工程系把高分子化工、化学工程和工业化学三个专业调整成高分子材料及化工和化学工程与工艺两个专业。1995年本科学制改为四年。
1995年以来，化学工程系先后制定了“九五”、“十五”规划、“211”工程重点建设项目规划、“985”工程重点建设项目规划。1998年获得了“化学工程与技术”一级学科博士点授予权，高分子材料与工程按照“材料科学与工程”一级学科授予博士学位。
2004年把本科“化学工程与工艺”专业调整为“化学工程与工业生物工程”专业。2007年“化学工程与技术”和“材料科学与工程”率先入选国家重点一级学科。
目前在职教师76人，其中正教授37人，中国科学院院士1人，中国工程院院士2人，长江学者特聘教授4人，长江学者讲座教授4人，国家自然科学基金杰出青年基金获得者3人，中青年科技创新领军人才1人。青年教师中，“万人计划”青年拔尖人才2人，国家优秀青年基金获得者5人。1个国家重点实验室、3个省部级重点实验室等研究基地。
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