清华大学化学工程系始建于1946年，在发展过程中经过若干次调整，按照“厚基础宽专业”思想在系内设立
化学工程与工业生物工程、
高分子材料与工程两个专业。
清华大学化学工程系始建于1946年，当年秋季招收第一届本科生，学制四年。1950年开始招收研究生。同年设置了石油炼制专业。至1952年，化学工程系设有化学工程和石油炼制两个专业。1952年8月，清华大学停办化学工程系，同时成立石油工程系。1953年2月，以清华大学石油工程系为基础，国家建立了
北京石油学院，同年石油工程系迁出清华大学。
1958年7月，清华大学建立工程化学系，设
塑料专业。同年开始招本科生。1960年学校决定将工程物理系的有关原子能化工的专业调整到工程化学系。全系设置三个专业：放射性物质工艺学专业（含天然放射性物质工艺学和人工放射性物质工艺学两个方向）、轻同位素分离与应用专业和
高分子化合物专业，学制均为六年。
1960年后，在
汪家鼎、
滕藤教授等的组织指导下，结合辐射核燃料后处理，开展了铀钚及裂变产物化学性质和萃取工艺、萃取设备方面的系统研究工作。1968年，以工程化学系技术为基础设计的核燃料后处理中间试验厂建成，使我国的后处理工艺在60年代赶上了国际先进水平，为我国核工业的发展做出了重大贡献。
1970年后，学校重新组建化学工程系，设
高分子化工、
非金属材料、
化工设备（后改为化学工程）和基本有机合成四个专业，学制三年半。
1978年，重新恢复工程化学系的名称，设有
高分子化工、
非金属材料、
化工系统工程、
应用化学、
物理化学、
有机化学、
分析化学、
无机化学和普通化学等10个教研组和仪器分析中心。设置了高分子化工、化学工程、应用化学（1987年改称工业化学）、
无机非金属材料和物理化学及仪器分析5个专业，1977年开始招生，学制均为五年。
1980年2月，工程化学系改名为化学与化学工程系。1985年10月，分为化学系和化学工程系两个系。1987年又将非金属材料教研组及所属专业调到新成立的材料工程与科学系。1989年化学工程系把高分子化工、化学工程和工业化学三个专业调整成高分子材料及化工和化学工程与工艺两个专业。1995年本科学制改为四年。
1995年以来，化学工程系先后制定了“九五”、“十五”规划、“211”工程重点建设项目规划、“985”工程重点建设项目规划。1998年获得了“化学工程与技术”一级学科博士点授予权，高分子材料与工程按照“
材料科学与工程”一级学科授予博士学位。2004年把本科“
化学工程与工艺”专业调整为“
化学工程与工业生物工程”专业。2007年“
化学工程与技术”和“
材料科学与工程”率先入选国家重点一级学科。
化学工程系现有教师 82 人，其中
中国科学院院士 2 人、
中国工程院院士 2 人，讲座教授 4人，国家杰出青年基金获得者 8人，优秀青年基金获得者 6人。
按照“
化学工程与技术”和“
材料科学与工程”两个一级学科招收博士和硕士研究生，并招收“材料与化工”专业博士生和硕士生。
在2020年QS 世界大学学科排名中，清华化学工程排名世界第 12，连续八年保持在世界排名前 20 ；
高分子材料与工程专业所在的材料学科排名世界第 9。
2016 年清华化工专业以“无缺点”的认证结论通过了
ABET 国际工程教育专业认证。
化学工程系与
东京工业大学、
墨尔本大学等国际知名大学开展研究生联合培养，组织本科生、研究生赴墨尔本大学、伦敦
帝国理工、TAMU 等海外高校进行暑期海外研修实践，赴
BASF等国际知名企业开展社会实践，并接收墨尔本大学的学生实习。
建系 70 余年来，在原子能化工、
石油化工、
煤化工、
生物化工及材料化工等方面的研究成果先后获得国家级奖励20 余项。近10 年来，化工系作为第一单位完成的“渗透汽化透水膜、
膜组件及其应用技术”和“微结构化工传质设备及其工业应用”先后获
国家技术发明奖二等奖，作为第一完成单位获得省部级科技奖励近30 项。流化床
甲醇制烯烃/芳烃、聚甲氧基二甲醚工业化、生物降解高分子材料制备、常压室温等离子体育种装备等一系列产业化技术在业界产生了重大影响，酶法生物柴油产业化技术成为中国和拉丁美州合作的典范。世界最长
碳纳米管制备等前沿基础研究成果在国际上引起广泛关注。主办了国际碳纳米管学术与应用会议、国际微反应器技术会议等一系列国际会议，国际影响力不断提升。
这里走出了
习近平(1975级)、
陈希（1975级）、
刘延东（1964级）、
高云龙（1986级博）等党和国家领导人，
欧阳平凯（1963级）、
杨万泰（1977级）、
谭天伟（1981级）、
邱勇（1983级）等20余位国内外院士、10余位大学校长，以及
陈薇（1988级硕）、
费广泰（1975级）等一大批科学家和兴业之士，培养了众多卓越青年人才。