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，设有摩擦学、设计工程、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，并建有摩擦学国家重点实验室、国家CIMS工程研究中心、先进成形制造教育部重点实验室、精密超精密制造装备及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等国家和省部级科研平台。此外，还与德国亚琛大学建立了“高端装备创新设计制造国际联合实验室”，与兄弟院系建立的“生物制造与体外生命系统工程交叉学科创新引智基地”，清华大学新材料国际研发中心等国际合作平台。

机械系科研工作秉承”顶天立地”的宗旨，既面向机械工程的国际学科前沿，又针对国家重大需求，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：数字化设计与分析、摩擦学基础理论与技术、微纳机械学与摩擦学、表面界面理论与技术、机械零部件与密封技术、机械系统动力学与故障诊断技术、生物机械系统与康复工程、智能制造设备和控制、精密与特种加工技术、机器人技术、IC制造装备、制造系统自动化与数字化、成形制造理论及计算机模拟仿真、重型装备设计与制造、成形过程监测控制与智能化、激光加工与微纳加工、增材制造与生物制造、航空宇航制造工程等。每年承担国家重大专项、重点研发计划、国家自然科学基金项目、国防科研项目以及企业委托科技开发项目等几百项。

清华大学机械工程科研在各个历史时期都为国家建设做出过重要的贡献。1958年研制了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，与企业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 年代为我国集成电路制造行业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，国际上首次提出了“等剪应力缠绕理论”。

1980年代后在机械工程的多个方面取得重大成果，如新型 MIG 焊接电弧控制法获国家发明一等奖（1984）、FG 及F-FG密栅云纹版分别获国家发明三等奖(1981) 和二等奖（1984）、紫外曝光分步重复照相机获国家科技进步三等奖（1985）、三自由度支撑系统扇叶动平衡机获国家发明四等奖（1987）、两自由度肌肉电控制前臂假肢获国家发明三等奖（1987）、切削过程声发射刀具监视装置与方法获国家发明奖四等（1990）、计算机磁盘精密带式振动研抛机获国家发明四等奖（1991）、计算机集成制造实验系统获美国制造工程师学会CIMS 应用与开发大学领先奖（1994）、NGY-2型纳米级润滑膜厚度测量仪获国家发明三等奖（1996）、大型钢丝缠绕预应力系列压机获国家科技进步三等奖（1998）、纳米润滑的理论和实验研究获国家自然科学奖二等（2001）、多功能快速成形制造系统M-PRMS 技术获国家科技进步二等奖（2002）、复杂非线性系统的某些动力学理论与应用获国家自然科学二等奖（2003）、超精表面抛光、改性和测试技术及其应用研究获国家科学技术进步二等奖（2008）、并联机器人机构拓扑与尺度设计理论获国家自然科学二等奖（2013）、3.6万吨黑色金属垂直挤压机成套装备与工艺技术研发及产业化获国家科学技术进步二等奖（2015）。

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、航空大型复杂部件装配与涂装机器人、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、电子束增材制造等基础前沿研究，取得了一系列理论和技术成果。

近5 年，获得国家发明专利授权380 项，全系师生在国内外学术刊物及学术会议上共发表论文2000 多篇，其中SCI收录论文近1000 篇；科研经费稳定增长，2017 年全系科研经费达到了2.3 亿元。