清华大学化学系现有两个教育部重点实验室（生命有机磷化学及化学生物学教育部重点实验室、有机光电子与分子工程教育部重点实验室），一个微量分析测试方法与仪器研制北京市重点实验室，五个二级学科研究所（无机化学、分析化学、有机化学、物理化学、高分子化学与物理研究所），基础分子科学中心，基础化学实验教学中心，清华大学分析中心及国家能谱中心，其中分析化学为国家重点学科。

        化学系的科研方向不仅涵盖了现代化学的各主要领域，而且也包括了21世纪化学发展的最新生长点。研究内容有：环境及生命过程中的分析化学新方法研究，生命过程中的化学问题及新型酶的作用机制与应用，有机光电子材料及器件，新型晶体功能材料，超分子自组装和纳米结构材料，中药复方的分子生物学研究，导电高分子材料的合成与性能研究，以新能源及环境保护为目标的新催化系统的研究等。近年来，清华大学化学系每年科研经费和发表的SCI论文数均保持了较高的增长速度，主要的研究工作得到了国家自然科学基金委、国家科技部重大专项、973、863计划的支持，多项成果获得了国家和省部级的奖励。

        化学系拥有众多大中型仪器设备，如飞行时间质谱仪(Q-TOF-MS)、激光电离飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)、等离子体原子发射光谱仪（ICP-OES）、等离子体质谱仪（ICP-MS）、气相色谱/质谱和液相色谱/质谱联用仪（GC-MS, LC-MS）、原子力显微镜（AFM）、透射电镜（TEM）、扫描电镜（SEM）、扫描俄歇微探针（SAM）、X射线光电子能谱（XPS）、显微共焦拉曼光谱仪、核磁共振波谱仪（NMR）、顺磁共振波谱仪（ESR）、单晶和多晶X-射线衍射仪（XRD）、高效液相色谱（HPLC）、毛细管电泳仪以及紫外可见光谱仪(UV-Vis)、傅立叶变换红外光谱仪（FT-IR）、原子吸收光谱仪(AAS)等。