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1957年初，为了适应经济与国防建设的需要，培养新兴科学技术中有关力学及计算数学方面的专业人才，在钱学森先生的倡导下，成立了工程力学研究班，钱伟长教授为首任班主任，郭永怀教授和杜庆华教授为副班主任。工程力学研究班共办了3届，毕业生323人，其中大多数成为了我国力学学科教学和科研的骨干力量。
为了满足日益发展的国防与国民经济对力学人才的需求和高校对高质量力学教师的要求，1958年7月3日，清华大学1957～1958年度第七次校务行政扩大会议决议，成立工程力学数学系。设立流体力学、固体力学和计算数学三个专业，相应建立了三个专业教研组，学制为六年。
工程力学数学系是以数学、物理、力学等基础学科为基础，研究技术科学理论，又与生产实践相结合，解决工程设计提出的问题，培养有社会主义觉悟、又红又专的力学和计算数学人才。
1960年5月，学校考虑到技术科学的共同性质、促进航空航天项目的进展，又将动力机械系的工程热物理专业调整到工程力学数学系（注：工程热物理专业的前身为1955年成立于动力系的工业热工专业。1957年春学校决定停办工业热工专业，并改为成立面向军工服务的热物理专业，代号410。1958年2月热物理教研组在动力系馆正式成立。）。1961年根据国家的需要成立了固体力学专业、一般力学专门化。这时的工程力学数学系有四个专业和一个专门化；有五个专业教研组即610，620，630，640与650教研组和六个实验室。后来取消了代号，相应地称为流体力学、固体力学、计算数学、工程热物理和一般力学五个教研组。
“文革”期间，从1969起先后分别将计算数学调整到计算机科学与技术系和应用数学系；一般力学调整到精密仪器系，工程力学数学系改名为工程力学系。直到1978年，一般力学又调回到工程力学系。在1972-1976年期间，先后招收了5届工农兵学员共计363人。
1977年恢复高考招生制度。工程力学系流体力学、固体力学和工程热物理专业恢复招收本科生，学制五年。同年开始规模招收硕士研究生，学制2-3年。
1980年固体力学、流体力学专业开始招收博士研究生。
1982年基础课委员会中的理论力学和材料力学两个教研组与工程力学系合并，从此工程力学系又承担起全校力学课程的教学任务。
1983年为更好的开展科学研究工作，成立了工程力学研究所；工程热物理专业与热能工程系联合成立热能工程与工程热物理研究所。
1985年从科学发展和社会需要出发，将流体力学和固体力学专业合并为工程力学专业。为进一步适应国民经济发展的需要和高科技对力学人才的要求，从1990年起，确定在本科招生中，力学系的专业改写为，工程力学（工程力学与计算机应用）及工程热物理（热科学、热能技术与控制）两个专业。主要培养力学及其相关的工程设计、新技术开发以及高新技术相结合的工程力学，工程热物理和计算机应用人才。
到1991年，全系设有七个教研组，设有包括六个研究室的工程力学研究所，还有地震波勘探开发研究所，以及有装备了现代化设备的十个实验室和计算机室。固体力学、工程热物理被评为全国重点学科。
1993年破坏力学实验室成为国家教委开放研究实验室。
1996年力学学科被首批批准按一级学科行使学位授予权。
1998年全面实行本科-硕士统筹培养计划，当年力学系有41名同学纳入本硕贯通培养计划。工程热物理专业获得动力工程及工程热物理一级学科博士学位授予权（与热能系共建）。
1999年逸夫技术科学楼建成，工程力学系迁入，教学和实验条件获得了极大改善；实行了系管教学，将教研组改为研究所，相继成立了固体力学、流体力学、工程热物理、工程动力学研究所。国家教委开放研究实验室“破坏力学实验室”更名为“破坏力学”教育部重点实验室，2009年更名为应用力学实验室。在全国首批百篇优秀博士论文的评选中，力学系有两篇博士论文入选。
2001年在教育部重点学科的评估工作中，固体力学列一级学科（力学）第一，流体力学列二级学科第一、一级学科第六，工程热物理专业（与热能系共建）列一级学科（动力工程及工程热物理）第一。与华南理工大学和北京工业大学教育部重点实验室。
2002年增设国防定向的“飞行器设计与工程”专业，招收21名国防定向生；
2003年与热能系共建‘煤的清洁燃烧技术教育部重点实验室’。
2003年成立了“传热与能源利用”北京市重点实验室。
固体力学研究所
历史发展：清华大学固体力学学科是我国著名力学家张维、杜庆华、黄克智等教授创建的，是全国首批博士点和重点学科。历经几代清华人的辛勤耕耘，发展成为凝练力学学科的平台，创新力学科研的基地，培养力学人才的摇篮。1999年正式成立了固体力学研究所英文简称ISM，前身为固体力学教研室，它是固体力学重点学科的主要依托单位。该研究所是国内外高校该学科最大的团队之一，学术梯队完整合理、学科覆盖面宽广齐全。ISM承担着本专业本科生、硕士生和博士生的教学和科研任务。其宗旨是：研究工程材料、工程结构和高技术结构（如：航空航天结构、电子元件结构和其它能源结构等）的破坏行为，探索其中蕴含的力学规律，为设计和改进具有更可靠性的工程材料和高技术结构提供理论基础与准则，并为国家培养出高层次、高素质的创新性专业人才。ISM的发展目标是：建成先进的理论、计算和实验环境，通过开放和流动联合的运行机制，在研究工作、人才培养、国内外合作交流和学术活动等方面都达到国际一流水平，建成国际上有重要影响和学术地位的一流研究所。
流体力学研究所
清华大学航天航空学院工程力学系流体力学研究所是流体力学科学研究和学术型人才的重要培养基地，是 1958 年在由钱学森、郭永怀和钱伟长等创办的“工程力学研究班”的基础上建立的，具有硕士、博士学位和 一级学科学位授予权。本研究所的主要研究方向有：湍流、计算流体力学、航空航天流体力学、非牛顿及生物流体力学、工业及环境流体力学、微尺度流体力学、实验流体力学等。流体力学研究所在教学、人才培养和学术研究等方面形成了工偏理的独特风格，并取得了显著成果：
在学术队伍建设方面，建立了一支包括杰出基金获得者在内的十分活跃的教学科研队伍；
在人才培养方面成绩卓著，为航空航天、国防、国家机关、高校、国有大中型企业等重点部门培养了大批优秀人才；
在基础研究方面取得了一系列新成果，在J Fluid Mech、Phys Fluid s 和 J Comput Phys 等本学科重要国际刊物上发表的论文数在国内名列前茅；
在流体力学工程应用和成果转化方面成效显著，拥有多种先进设备和多项国际发明专利；
在科技合作方面，与国内外著名企业和学术机构建立了密切的合作关系，设有清华-SMC气动技术中心，并牵头成立了清华—GE推进与动力技术研究中心；
在 2001年重点学科申请通讯评审中，名列全国同类学科点首位。流体力学研究所将不断努力，把本学科建设 为国际一流水平的流体力学研究、人才培养基地和具有一定国际知名度的学科点。
工程热物理研究所
工程热物理学科创建于1958年。1988年被评为国家重点学科，1998年获得一级学科博士学位授予权，并设有博士后科研流动站。2001年以全国第一名的成绩再度被评为国家重点学科。2003年在全国一级学科评估中获得第一名。2004年为适应国家对航天航空事业发展的需要，清华大学工程力学系工程热物理研究所整体进入清华大学航天航空学院。
在保持工程热物理学科优势的同时，研究领域进一步向航天航空拓展，现研究方向为如下四个方面：
1、航天航空领域热科学与技术研究。如航天航空器推进技术，航天飞行器及其载荷的热控制与热管理，航天航空材料热物性及其测试技术等。
2、能源领域热科学与技术研究。如节能技术，余热回收，能源环境、经济、效率评估，清洁燃烧技术等。
3、传热基础研究。如强化传热新理论、微纳米传热、分子动力学模拟等。
4、燃烧基础研究。如催化燃烧、湍流多相流动与燃烧、清洁燃烧基础等。
本研究所设有三个教育部、北京市重点实验室和一个国际合作实验室，即传热强化与过程节能教育部重点实验室、传热与能源利用北京市重点实验室、3E能源北京市重点实验室、清华—大金R&D中心。
研究所的教学科研队伍共21人，其中具有博士学位的12人，中国科学院院士1人，教授及博士生导师7人，副教授及高工10人，讲师、工程师3人。此外还有兼职教授4人，外籍客座教授3人。
2004年度本研究所承担的科研项目包括973项目（含子项目）共6项，863项目5项，国家重大科技攻关项目4项，国家自然科学基金重大项目1项，国家自然科学基金重点项目2项，国家自然科学基金面上项目9项，国防科研项目4项，国家其它重大科技项目1项，博士点基金项目2项，国际合作项目3项，其它科研项目5项。在研项目总经费为1926万元。
“基于场协同理论的传热强化技术及其应用”获2003年度教育部推荐国家科学技术奖科技进步一等奖，并被推荐申报2004年度国家科技进步一等奖。2003年发表论文131篇，其中SCI收录31篇， EI收录26篇，ISTP收录13篇。获授权专利6项。本研究所承担培养的本科生100余人。2003年度获全国优秀博士论文1人。
生物力学与医学工程研究所
生物力学和医学工程是 21 世纪医学和生物学发展中的新兴力量， 是当今力学学科发展的新的驱动力和生长点 ，涵盖 生物、医学、物理、化学、材料、力学与工程学等多个学科，研究不同尺度生命体的结构、性能、功能、运动及其相互关系等。
清华大学生物力学与医学工程研究所的前身是成立于 1979 年的清华大学工程力学系生物力学实验室，时任实验室主任为席葆树教授。实验室最早从人工心脏瓣膜的疲劳研究开始，相继开展了植物生物力学、生物与仿生材料力学、分子、细胞力学、中医脉象、运动生物力学等的研究。
2006年1月19日正式成立生物力学与医学工程研究所（Institute of Biomechanics and Medical Engineering, 简称IBME）。主要研究方向有：生物力学、细胞与亚细胞尺度生物力学、生物材料力学与仿生学、医学工程、生物流体力学与生命热科学、航天航空领域的生物力学与医学工程问题等。