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，3个校企联合机构，2个校内跨学科联合中心。

国家重点实验室：精密测试技术及仪器国家重点实验室、时空信息精密感知技术全国重点实验室

国家工程研究中心：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：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：生物医学检测技术及仪器北京实验室

系内研究单位：仪器科学与技术研究所、光电工程研究所、导航技术工程中心、激光与光子技术研究室

校企联合科研机构:清华大学（精密仪器系）－中电海康集团有限公司类脑计算联合研究中心、清华大学（精密仪器系）- 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

校内跨学科联合中心：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