清华大学精密仪器系源于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（1934年改称“航空工程组”）。

1952年，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，分为机械制造系和动力机械系。机械制造系下设 4 个专业，即机械制造工程、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。

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。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。

1978年，精密仪器系研制成功的分步重复照相机及我国第一台自动对准投影光刻机取得广泛应用，精密仪器系在大规模集成电路专用设备领域取得的成果获得全国科技大会奖。

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（1995 年改称测控技术与仪器专业）。1997年增设工业工程专业（2001 年成立工业工程系）。

1995年，与天津大学精密仪器系共建精密测试技术与仪器国家重点实验室。

1996年，建立光盘国家工程研究中心。

1999年，与自动化系、机械工程系共建 CIMS 国家工程研究中心。

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。

2004年，尤政教授团队牵头成功研制发射运行我国第一颗纳型卫星，相关成果获得国家科学技术进步二等奖。

2012年12 月，学校决定以精密仪器与机械学系的仪器科学与技术和光学工程学科为基础，成立精密仪器系，机械工程学科调整至机械工程系。

2019年，施路平教授带领团队研制成功国际首款异构融合类脑计算芯片，相关成果登上《自然》杂志封面，是我国在芯片和人工智能两个领域的首篇《自然》论文，入选中国十大科技进展新闻、中国科学十大进展和世界互联网领先科技成果。

2022年，精密仪器系作为主要发起院系之一，参与创建清华大学第一个工科创新人才培养书院——为先书院，培养“定义未来的科技领导者”。

2023年，重组精密测试技术及仪器全国重点实验室，新建时空信息精密感知技术全国重点实验室。