清华大学航空工程系1938年成立之时，“各国航空事业突飞猛进”，而此时正值日本侵略者妄图亡我中华。航空工程系的成立，对发展我国航空事业、培养航空人才，有着十分重大的意义。
早在1934年，清华大学即在工学院机械工程系设立三组：原动力工程组、机械制造工程组和航空工程组。航空工程组是我国最早创办的航空工程专业，“注重于飞机之制造，发动机之装卸、试验及比较等，均施与充分之训练”。当时，学校第一次接受外界资助，建造了风洞实验室、发动机实验室；并在四年级学生中挑选有志学习航空工程的成绩优良生。1935年冬由空气动力学大师冯?卡门教授推荐，聘请了美国教授华腾多夫（F.L.Wattendorf）博士担任航空讲座，同时筹备推进航空研究事业，开始了教学和研究工作。
1934至1935年间，由王士倬教授主持设计建成了我国第一座航空风洞，其试验段风洞直径最小为5英尺、最大约10英尺、长50余英尺。1936年，又由华腾多夫、王士倬等教授主持和当时的助教以及第一届毕业的学生十余人参加，设计了试验段直径为15英尺（必要时可扩大至20英尺）的大型航空风洞。该风洞的设计得到了当时欧美航空界的赞许，曾登载于英国第一流的飞机工程杂志及国际应用力学报告内。1936年，学校在旧电机馆东面专门建成航空馆；年底“国立清华大学航空研究所”成立，由顾毓琇任所长、庄前鼎任副所长。其间，由冯桂连、张捷迁设计及制造了中国第一架滑翔机，殷文友、张捷迁设计了单翼教练机。
清华大学航空研究所成立后，其首要工作即派员去江西南昌选定地点，兴建15英尺口径的风洞，当时的国家航空委员会曾先后补助设备经费23万元。此号称远东最大的风洞于1937年初动工建造，美籍教授华腾多夫博士及教员张捷迁受托驻留南昌负责督造。其间，冯?卡门教授应邀访问清华大学进行公开演讲两次，还专机飞往江西亲自检查风洞的建设。风洞的钢筋混凝土薄壳结构由南昌复兴建筑公司承包，钢结构工程由上海兴中公司承包，风洞马达系向万泰公司订购英国汤逊电机制造厂500马力电动机，试验天平向美国定制。1937年12月初全部土木建筑工程大体完成，马达亦已运抵香港。惟因抗日战争全面爆发，南昌频遭空袭，安装马达等项工作无法进行，乃不得不放弃垂成之功。
抗日战争爆发后，清华大学航空研究所于1938年4月迁至成都，即借四川大学部分房屋开展研究工作。曾制造滑翔机一架赠送教育部，另曾拟重建一座小型风洞，后因迁移而作罢。1938年，清华大学在西南联大成立航空工程系，清华大学航空研究所也于1939年春奉教育部之命迁到昆明；首任系主任为庄前鼎，后由冯桂连、王德荣分别继任。在战争的环境中，虽然频繁辗转迁移，面临研究经费不足、设备简陋缺少、参考资料匮乏、生活待遇菲薄等艰苦的条件，但师生们以高昂的热情进行教学与研究。
航空工程系成立前后培养了一批批优秀人才，许多人在国内外航空航天科技界和教育界发挥了重要作用。建系前，航空工程组先后有3届毕业生共30人；建系后，1939年至1946年有8届毕业生共126人。当时的课程设置是参照美国麻省理工学院航空工程系编制的，开设有21门课程，又分为飞机工程、发动机工程两个组（专业）。教师从严教学，编译国外先进空气动力学教材及其它书籍有十余种。教学实验室仅有发动机、风洞及飞机模型实验室，设备有试验段直径3英尺的直流式木质风洞1座（可惜未能安装完成善加利用），德制双座单翼飞机和双翼飞机各1架，自行设计制造的滑翔机1架。其间于1940年，由时任空军军官学校总顾问、前十四航空队的陈纳德将军建议，还承办了试飞员训练班，学习为期1年。“学员必须具备精练的飞行技术，在熟习航空工程学识后，方可胜任试飞的职务。”第一期录取学员8人，均系航校的高材生，其中有在昆明击落第一架日机的“飞将军”。翌年第二期，“后因敌人侵入越南，昆明空袭频仍，故未继续举办。”
清华航空研究所是航空工程系的重要教学基地。1939年航空研究所迁至昆明后，即着手建造试验段直径5英尺的钢制回流式风洞，于1940夏建成；还与清华无线电研究所等合作研制了测试仪器。这是当时国内惟一可供试验研究用的风洞，承担了航空工程系空气动力学的教学实验和国家多项抗日战争急需的专题研究任务。自1939年至1945年，在师生共同努力下取得了大量卓越的研究成果：在空气动力学的专题试验研究方面和理论研究方面总共发表论文108篇，其中多数为英、美第一流航空工程杂志及国际应用力学杂志刊载；1939年建立高空气象台，在高空气象方面的研究取得大量实测资料和理论研究成果，并研制了多种气象仪器供各地气象台使用；研制了初级滑翔机2架、中级滑翔机1架，还于1943年协办昆明航空滑翔展览会，参观民众10余万人。1940年直升飞机在美国首次试飞成功后，不久清华航空研究所就在国内首次开展了直升机的研究设计工作；另外，还进行了飞机结构材料的研究工作。
在这一时期，尤其要提到的是周培源教授在湍流研究中做出的举世闻名的工作。周培源教授自1939年至1952年执教于清华大学（含西南联大时期），其间1943年至1947年利用休假在美国加州理工学院做研究工作。他1940年发表于《中国物理学报》第4卷第1期以及1945年发表于《应用数学季刊》第111卷第1期的两篇论文，为现代高阶湍流计算模式奠定了严密的理论基础，至今仍为被国际湍流研究者广泛引用。 抗日战争胜利后，清华大学于1946年回迁北京复校，原航空工程系建于昆明的风洞及所属房舍由云南大学接管使用。在北京重建后的航空工程系由王德荣教授任系主任，并聘任钱学森、顾培慕、宁幌、陆士嘉、沈元、屠守锷、丁履德、王宏基等为专职教授（钱学森教授因在国外未能应聘到校）。开设的课程有“空气动力学”、“发动机动力学”和“飞机设计”等，建有流体力学实验室，有新建造的烟风洞和风速每小时200英里的风洞，美制、德制和日制的航空发动机8台等新设备。
新中国成立后，在1951年5月全国第一次高校院系调整时，将厦门大学、西北工学院、北洋大学的航空系并入，成立了清华大学航空工程学院，院长为沈元；同时，学校又建成新航空馆。后来根据中央关于加快航空工业建设的决定和周恩来总理提出的要办专业航空院校的指示，在1952年全国第二次高校院系调整时，中央决定将清华大学航空工程学院调出，与四川大学、北京工业学院的航空系合并，新组建成立北京航空学院（即现北京航空航天大学）。
此后，清华大学的很多院系仍继续开展着许多有关航天航空方面的研究。根据1956年制定的《科学技术发展12年规划》，1957年初在钱学森、钱伟长、郭永怀等老一辈科学家的倡导下，成立了由中国科学院和清华大学合办的工程力学研究班，编制隶属清华大学，钱伟长教授为首任班主任，郭永怀教授和杜庆华教授为副主任。从1957年至1962年，工程力学研究班共办了3届，其中流体力学专业两年制研究生有105人，为我国培养了一大批力学骨干人才。1958年清华大学成立了工程力学数学系，在电子系、精密仪器系、自动化系和计算机系等许多院系，以及1998年成立的清华大学宇航研究中心等，多年来都在航天航空的研究方面获得了丰硕成果。
