机械工程实验教学示范中心前身是国家工科机械基础课程教学基地，于2008年获批成立的国家级实验教学示范中心。中心依托清华大学机械工程学科群，以国家工科机械基础课程教学基地为基础，拥有工程图学实验室，机械创新设计实验室，CAD教学中心，制造工程实验室，测控技术实验室，汽车结构系统分析实验室，汽车机电系统实验室，汽车造型设计实验室等8个实验室。这8个实验室都依托相关的学科而建设，伴随着学科的发展而发展，实验室与学科的建设和发展同步。

机械工程实验教学示范中心以培养学生创造能力、综合运用知识能力和工程素养为核心，形成基础教学实验、创新能力培养、工程素质培养三位一体教学体系，切实支撑了清华大学“价值塑造、能力培养、知识传授”三位一体的教学理念。中心每年承担全校机类近机类和非机类相关专业80余门课程的教学实践环节，涵盖了机械工程、光学工程、仪器科学与技术、航空宇航科学与技术、动力工程及工程热物理等机械类本科生、研究生，从基础到专业各个阶段的的教学实践课程；以及材料科学与工程、土木工程、水利工程、电气工程、控制科学与工程等学科的工程图学基础教学实验。每年开放实验项目220多个，接待约4000名学生，完成近10万人时的教学实践任务，覆盖全校39个院系、84个专业。支撑多门“国家级精品资源共享课”、“国家级精品课”、“北京市精品课”、“清华大学精品课”的教学实验。中心每年主办多项课外科技赛事，包括“机械创新设计大赛”、“机械迷城大赛”、“新生机械创意大赛”、“光电设计大赛”、“仪器设计大赛新生赛”等。此外，中心与企业合作建立了多个校企联合教学实验室，包括：清华大学－Autodesk数字创新实验室、清华大学－英飞凌汽车电子教学联合实验室、清华大学－美国国家仪器公司虚拟仪器联合教学实验室、清华大学－华北工控联合教学实验室、清华大学－盛博协同嵌入式计算机联合实验室等。