精密仪器系拥有光学工程、仪器科学与技术两个全国重点学科，在全国一级学科评估中，仪器科学与技术、光学工程两个一级学科均名列前茅。全系建有三个国家级科研平台：精密测试技术与仪器全国重点实验室、光盘系统及应用技术国家工程研究中心、时空信息精密感知技术全国重点实验室，三个教育部重点实验室：智能微系统教育部重点实验室、高精度导航技术教育部重点实验室、光子测控技术教育部重点实验室，一个北京市重点实验室：生物医学检测技术及仪器北京实验室，三个自主批建科研机构：导航技术工程中心、类脑计算研究中心、微米纳米技术研究中心，以及三个校企联合科研机构：清华大学-中电海康集团有限公司类脑计算联合研究中心、清华大学（精仪系）- 北方激光研究院有限公司先进激光技术联合研究中心、清华大学北京航天测控技术有限公司高端分析测试仪器联合研究中心。

全系科研面向国际基础前沿和国家重大需求，坚持为国民经济服务，每年承担国家重大专项、重点研发计划、重大科学仪器开发专项、国家自然科学基金项目及其它科技开发项目等百余项。70 年代，研制开发了分步重复自动照相机、图形发生器、光刻机、电子束曝光机工件台等半导体设备，其中“分步相机”应用于全国100 多个厂家，受到好评；研制了多种磁盘测试仪器，促进了我国电子工业的发展。“七五”“八五”期间，光/ 热效应型可直接改写光盘技术研究获得国家发明二等奖。“九五”“十五”期间，微米纳米技术取得了国际水平的研究成果, 科研经费显著增加，获得国家级奖励7 项，其中国家发明奖4 项，科技进步奖3 项。近年来研制成功国内第一颗微小卫星与第一颗纳型卫星，“十一五”“十二五”期间，我系获国家科技奖励7项，其中国家技术发明奖二等奖5项，国家科技进步奖二等奖2 项。十三五期间，我系获国家技术发明奖二等奖1 项、教育部技术发明奖一等奖1 项、教育部技术发明及自然科学奖二等奖3 项、北京市科学技术奖一等奖1 项；国际科学技术合作奖1 项、全国创新争先奖1 项，全系师生在国内外学术刊物及学术会议上发表多篇高水平论文，获得国家授权发明专利数量猛增，成果转化成绩喜人。科研经费总量增长迅速，2023年达到4.8亿元，国家重大任务逐渐成为科研工作的主流，科技成果转化效果和社会经济效益显著。

全系十分重视开展国内外学术交流，和国外许多著名大学和研究机构保持着密切的联系和合作，已组织召开了多次国际学术会议，主办了多次全国性的学术会议。