机械设计工程研究所是精密仪器与机械学系的五个研究所之一，属于机械设计及理论学科。其前身为机械设计教研室，成立于1952年，郑林庆教授任第一届主任， 1959年正式招收研究生，1981年当时的机械学专业被确定为首批博士点，1988年被评为机械工程重点学科，并设立机械工程博士后流动站，承建清华大学国家工科机械基础课程教学基地的中心实验室。在2001年教育部重点学科评估中获得机械设计及理论学科第一名。2004年清华大学国家工科机械基础课程教学基地通过教育部验收，并被评为优秀。

目前机械设计工程研究所有教授3名，副教授11名。现任所长为褚福磊教授。

机械设计工程研究所的主要科研方向包括机械系统动力学、机构学、康复工程及仿生技术、机械设计理论与方法、机械故障诊断技术等。目前承担的科研项目包括国家自然科学基金、国家重点基础研究发展计划973项目、国家高技术研究发展计划863项目等。近五年来，获得了包括国家自然科学二等奖在内的国家及省部级科技奖励多项以及教学奖励10余项，发表了大量的学术研究论文，包括SCI收录的论文近百篇。目前研究所的教学基地中心实验室有一千多平方米，具有较先进的机械性能仪器设备，为开展高水平科研和培养研究生提供了良好的条件。