清华大学精密仪器系渊源于1932年成立的清华大学工学院机械工程学系，建系之初设立3个学科组，即原动力工程组、机械制造工程组、飞机及汽车工程组，经多年的发展和调整，逐步形成清华大学目前的精密仪器系、机械工程系、热能工程系、汽车工程系和工业工程系。

1937年－1945年抗战期间，机械工程学系随学校南迁，先后在长沙临时大学和西南联合大学办学，1946年回到北京清华园。

1952年，全国高等学校院系调整，北京大学和燕京大学的机械工程学系并入清华大学机械工程学系，并取消学院建制，同时机械工程学系分为机械制造系和动力机械系。机械制造系下设4个专业，即机械制造工艺、金属切削机床及其工具、铸造机械及铸造工程、金属压力加工及加工机械。1956年机械制造工艺专业与金属切削机床及其工具专业合并为机械制造工程专业（1957年易名为机械制造工艺、金属切削机床及工具专业）。1959年增设精密仪器和光学仪器专业。

1960年，机械制造系分为精密仪器及机械制造系和冶金系。冶金系即为现在的机械工程系，以热加工专业为主。精密仪器及机械制造系下设3个专业，即金属切削机床及自动化（1963年改称机械制造工艺及设备专业）、精密仪器、光学仪器。

1965年，精密仪器及机械制造系系馆（即现在的精密仪器与机械学系系馆，9003大楼）落成。

1971年，精密仪器及机械制造系改称精密仪器系。1972年精密仪器专业改为陀螺导航与自动控制专业。1979年教育部直属工科重点院校专业调整后，精密仪器系下设3个专业，即机械制造工艺、设备及自动化，光学仪器，陀螺仪器及导航自动控制。

1981年，机械学、光学仪器、精密机械及仪器批准为硕士点和博士点，机械制造批准为硕士点，并在1985年批准为博士点。

1984年，精密仪器系更名为现今的精密仪器与机械学系，下设3个专业，即机械设计与制造、光学仪器、精密仪器。1989年，精密仪器专业和光学仪器专业合并为精密仪器仪表专业，并在1995年改称测控技术与仪器专业。

1988年，机械学（1997年改为机械设计及理论）、光学仪器（1997年改为光学工程）、精密仪器及机械3个学科被评为全国高等学校重点学科。机械制造及其自动化在2001年被评为全国高等学校重点学科。

1988年建立光学工程、仪器仪表2个博士后流动站，并在1991年建立机械工程博士后流动站。

1988年，摩擦学国家重点实验室正式成立；

1992年，与自动化系、机械工程系共建的CIMS国家工程研究中心通过验收。

1995年，与天津大学精密仪器系共建的精密测试技术与仪器国家重点实验室正式成立；

1996年，光盘国家工程研究中心正式成立；

1996年，精密仪器与机械学系、机械工程系、汽车工程系联合成立机械工程学院，之后工程力学系、热能工程系、工业工程系、基础工业训练中心也分别并入机械工程学院。

1997年增设工业工程专业，并在2001年单独成立工业工程系，隶属于机械工程学院。

2003年，精密仪器与机械学系在深圳研究生院建立先进制造技术研究所，并在2010年成立先进制造学部。

2004年，国家工科机械基础课程教学基地通过教育部验收，并在2007年建设成立国家机械工程实验教学示范中心。

2004年，增设微机电系统工程专业，同时按“制造自动化与测控技术专业”统一招生，前两年为基础平台课程，第三年按“机械工程及自动化”、“测控技术与仪器”和“微机电系统工程”三个专业方向分流培养。

2012年，精密仪器与机械学系按“机械工程及自动化专业（精仪系）”和“测控技术与仪器专业”两个专业招生。

2012年12月，学校决定以精密仪器与机械学系的仪器科学和光学工程学科为基础，成立精密仪器系，以促进仪器和光学学科的发展。

目前，精密仪器系建有光学工程和仪器科学与技术二个一级学科。下设光电工程研究所、仪器科学与技术研究所、导航技术工程中心、激光与光子技术研究室等4个教学科研单位。