精密仪器系按照高等院校特色专业“测控技术与仪器”进行专业培养，2013年通过工程教育专业认证，采用学分制管理和弹性学习年限的本科分类培养模式，对完成并符合培养方案要求的学生授予工学学士学位。优秀本科毕业生可直接攻读硕士、博士学位。2013 年起实施“精育英才”计划，为每位新入学本科生配备指导教师。院士、长江学者、知名教授为本科生授课，邀请国外知名大学教授讲授短期课程。开设的课程中有2门国家精品课程、3门北京市精品课程、9门清华大学精品课程。3门课程成为清华大学大规模开放在线课程。2020年11月精密仪器系四门课程“测试与检测技术基础”“光学工程基础”“控制工程基础”和“光电仪器设计”通过首批国家级一流本科课程认定。近年来，精密仪器系教师出版本科教材30余部，成套教材《控制工程基础（第3版）》《控制工程基础（第3版）习题解》以及《控制工程基础实验指导》入选教育部“十二五” 普通高等教育本科国家级规划教材第二次遴选教材名单。2020年获得清华大学年度教学优秀奖1项，青年教师教学优秀奖1项；2021年获得清华大学教学成果奖1项，全国优秀教材二等奖1项，获评清华大学精品课程4门，清华大学年度教学优秀奖1项；2022年获清华大学第十届青年教师教学大赛工科组 一、二、三等奖1项；2023年新获评清华大学精品课程1门。2024年获中国仪器仪表学会高等教育教学成果奖一等奖1项，清华大学年度教学优秀奖1项，清华大学精品课程2门（复审），清华大学第十一届青年教师教学大赛工科组一等奖3项。通过“拔尖创新学生培养项目”、科技大赛等多种方式，为优秀学生脱颖而出创造条件。

精密仪器系参与建设为先书院，向为先书院的人才培养提供了全方位支持，助力学生成长为具有创新能力和国际视野的高素质人才。精密仪器系在精密仪器、光学工程、测量与控制等领域具有深厚的学科积累，为为先书院的学生提供了高水平的课程和实践资源。与为先书院共同建设“科技创新与挑战（TIC）”培养模块，通过共享实验室、科研平台和设备，支持书院学生的科研训练和创新实践。为为先书院开设了多门核心课程和选修课程，涵盖仪器科学、光学技术、传感器技术等领域，帮助学生打下坚实的专业基础。课程设计注重理论与实践结合，培养学生的动手能力和解决实际问题的能力。鼓励为先书院学生参与科研项目，提供导师指导和实验室资源，帮助学生接触前沿科技。通过参与科研，学生能够提升创新思维和科研能力，为未来学术或职业发展奠定基础。推动跨学科合作，促进书院学生与不同专业背景的师生交流，拓宽视野。通过跨学科项目，提升了学生的综合能力和团队协作能力。

精密仪器系秉承学校“三位一体”的教育理念，积极探索教育教学改革新模式，2020-2024年，有 7 个研究生教育教学改革项目成功立项。通过思政建设、课程学习、海外研修、社会实践、创新探索等环节的有机融合，近五年培养了一大批品学兼优的高素质创新型人才。育人学术成果凸显，面向国家重大需求和科技前沿勇攀学术高峰。近五年学生屡获国际国内大奖，包括 SPIE 光学与光子学教育奖学金、国际会议最佳论文 / 海报奖等国际奖项，并有多人次作为主要完成人获省部级和学会科技奖励、2人次获中国惯性技术学会优秀博士学位论文、2人次获中国仪器仪表学会“测量控制与仪器仪表领域”全国优秀博士论文、3 人次获全国光学工程学科优秀博士学位论文（含提名）；涌现出发表 Nature 封面文章的邓磊、获得大陆首个最佳TRANSDUCERS 会议论文奖的赵帅、发表大陆至今唯一被 ICLR 会议收录口头报告文章的吴双等优秀个人。