精密仪器系建有2个全国重点实验室和1个国家工程研究中心，3个教育部重点实验室，1个北京市级实验室；4个系内研究单位，2个校内跨学科联合中心，2个校企联合机构。

全国重点实验室（2 个）

• 精密测试技术及仪器全国重点实验室（2007/2012/2017 年评估为优，2023年完成重组）

• 时空信息精密感知技术全国重点实验室（2023 年新建）

国家工程研究中心（1 个）

• 光盘系统及应用技术国家工程研究中心

教育部重点实验室（3 个)  

• 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

北京实验室（1 个）

• 生物医学检测技术及仪器北京实验室

校内跨学科联合中心（2 个)  

• 清华大学类脑计算研究中心

• 清华大学微米纳米技术研究中心

校企联合科研机构（2个)  

• 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