清华大学的航空学科起步甚早。在30年代中期，当时的清华大学校长梅贻琦便着手筹建航空系，并邀请国际空气动力学大师冯.卡门来校主持。冯.卡门教授来校数天，便爆发了七七芦沟桥事件。旋即，清华大学南迁辗转，后又与北大、南开在昆明合校为西南联大，冯?卡门教授也赴美创立著名的加州理工学院喷气动力实验室（JPL）。但清华大学的航空系仍得以逐渐发展。20世纪中叶因全国性学科调整，清华大学的航空系调去参与组建北京航空学院，清华大学航空学科不复存在。50年代末，清华大学校长蒋南翔高瞻远瞩，看到即将兴起的、以“两弹一星”为代表的高技术与国防科学，在清华大学又建立了工程力学数学系和自动控制系。这两个系的成立以航天航空学科为背景，并为我国的航天航空事业培养了大批人才。以后，随着国防科研与地方院校逐渐脱离，清华大学与航天航空学科的联系也逐渐削弱。在80年代设立的航天基金曾维系了清华与航天的联系，但随后错过了在80年代后期在清华大学成立航天学院的契机。
90年代后期，清华大学以王大中校长、贺美英书记为首的校领导深刻地审视了清华大学对国防科研介入的情况，提出了发展航天航空学科的目标。当时，在有关主管的支持下，我校在航天航空领域取得了若干有价值的科研成果（微米纳米技术、轨道与姿态控制技术、GPS对卫星的自动定轨－姿态测量、空间站和宇宙飞船的交会对接仿真实验、卫星遥感与通信技术、卫星与因特网结合的交互或远程教育系统、宽带遥感接收机和快速图象处理与存储技术、高精度静电陀螺技术、微马达与微陀螺、微电子封装技术、微型惯性仪表技术、计算机集成制造系统、推进技术、空间机器人技术、破坏理论、星箭分离的结构动力学计算、材料强韧化、微机电系统的可靠性研究、深空探测、微传热与控制等），其中部分成果居国内外前沿。但这些技术和成果尚缺少有效的集成和深化。
王大中校长建议以微小卫星为突破口来系统地介入航天领域，并发挥高校在高技术创新和管理模式上的特点。1997年7月，清华大学成立小卫星研究组，着手申请航天领域的高技术项目。为促进清华大学在航天领域的起飞，王校长建议通过国际合作的方式来加速这一研究。1997年11月，以英国萨瑞大学M. N. Sweeting教授率领的SSTL代表团来访，与清华大学签署空间研究合作的谅解备忘录。1998年7月，双方签署清华大学－萨瑞大学空间合作协定。清华大学在1998年10月成立了宇航技术中心。1999年主管部门批文同意在清华大学进行航天研究，1999年2月，“清华1号”（后更名为“清华航天一号”）项目启动；2000年7月“清华航天一号”卫星成功发射。清华航天一号的研制得到了清华同方公司的大力支持。2000年12月，在微小卫星研制的基础上成立航天清华卫星公司。从1999年7月开始，清华大学开始预研一种新型的，具有自主知识产权的纳型卫星。2002年初，在工程星成功研制的基础上，清华大学设计的纳型卫星委托清华航天卫星公司制造；随后，又开展了纳星地面站的研制并于2004年3月底验收；2004年4月，纳星1号成功发射，揭开了今年卫星发射的序幕。
我校若干个科研小组从2002年便酝酿成立航空技术中心，并从当年起开始以一定的规模介入航空高技术领域的项目申请。2003年，清华大学与中航一集团签订在科研合作和人才培养方面的协议。同年，美国通用电气公司发动机公司在清华大学设立喷气推进联合研究中心。
清华大学自2000年实行国防班招生，并当年在通讯与电子学、机械工程与自动化等专业招收国防班。自2002年起，又在工程力学系对飞行器设计与工程专业招生。自2003年起，校学术委员会同意工程力学系的本科生培养计划改为“工程力学与航天航空工程”，并在同年获得国务院学位委员会批准