控制与决策研究所的前身是成立于1956年的“热能动力装置自动化教研组”，隶属于动力机械系；1960 年学校成立“热工量测及自动控制”专业，教研组亦随之更名；1970 年校内院系调整，教研组并入自动化系；1981 年专业教研组一分为二，分别成立了“过程控制教研组”和“自动检测及仪表教研组”；1999 年更名为“过程控制工程研究所”；2020 年更名为“控制与决策研究所”。
研究所依托“控制理论与控制工程”二级学科建设，主要应用研究领域包括大型石化工厂和钢铁企业、无人机、轨道交通、深海载人潜水器、大型特种装备等。主要研究方向是以运动体、流程工业和大型特种装备为对象，针对复杂工业对象和过程，系统研究建模（包括机理建模、系统辨识与机器学习、软测量等）、控制（包括先进控制、鲁棒控制、非线性控制、模糊控制、随机控制、学习控制、安全控制、间歇控制、分级分布控制等）、智能优化与决策（包括智能优化、仿真优化、操作优化、调度优化、智能决策、知识工程等）、故障诊断与智能维护（包括故障诊断、容错控制、预测维护与实时可靠性等）、工业以太网与现场总线等理论与技术，以及复杂工业过程和复杂运动对象的全流程智能一体化优化理论和技术。
在科研方面，研究所承担了大量国家级项目，包括自然科学基金，国家重点研发计划 ，863、973 以及国家攻关计划项目，并以横向合作的形式承担了大量企业攻关课题。荣获国家自然科学奖二等奖 3 项，多次荣获省部级以上奖励。研究所拥有安全控制技术研究中心和交通运输部重点领域创新团队，在过程控制领域的综合实力位居全国高校前列，其中动态系统故障诊断和智能维护方向的理论研究成果在国际上处于先进行列。
在教学方面，研究所出版了十多部教材和专著,研究所教师目前开设《自动控制理论》《过程控制》《系统辨识基础》《智能优化算法及应用》等本科生课程，以及《人工神经网络》《工业数据统计分析与应用》《动态系统故障诊断与容错控制》《综合自动化理论与方法》《运筹学》等研究生课程。培养国家一级学会优秀博士学位论文获得者10余名。
信息处理研究所的前身是信息处理与模式识别教研组，成立于1978年。
研究所依托“模式识别与智能系统”和“生物信息学”两个二级学科，形成了以人工智能理论、方法、关键技术、交叉研究与应用为核心的3个主要研究方向：模式识别与机器学习、生物信息学与计算生物学、智能信号处理理论及应用。研究内容包括模式识别、机器学习、人工智能、信号处理、计算生物学的理论、方法与技术，人工智能在公共安全、智能交通、石油物探、数字生命、智能健康、雷达、数字通讯等多个领域中的应用，以及基于信息理论与技术的生命科学基本问题的探索。
在科研方面，近年来，先后承担国家重点研发计划项目、国家自然科学基金委创新研究群体、重大项目、重点项目、面上项目等科研项目30多项，获国家级和省部级科研奖励20多项，在国际重要期刊上发表高水平论文 500 多篇。
在教学方面，研究所出版了多部教材和专著,研究所教师目前开设了《模式识别与机器学习》《人工智能导论》《走近人工智能》《人工智能原理》《交叉项目综合训练》《基因线路分析、设计与控制》《离散数学》等本科生课程，以及《概率图模型》《信息论基础》《统计学方法及其应用》《机器学习》《计算机视觉》《生物信息学专题》《计算分子生物学引论》《科学规范与表达》等研究生课程，获得获国家级和省部级教学奖励十多项。
系统工程教研室（研究所）成立于1979年，由我国著名的自动控制、系统工程、管理科学与工程专家郑维敏先生担任第一任所长，1981年设立全国首批系统工程博士点（全国仅5个）。
研究所依托“系统工程”二级学科，主要研究方向包括：非线性系统建模理论与方法，智能交通系统工程，复杂系统理论与应用，优化调度理论与应用，控制与决策分析，智能网联与控制等。重点结合自动化系的学科规划，以无人系统为依托，开展车路协同环境下新型混合交通群体智能控制和基于车路协同的自动驾驶理论方法与关键技术的研究；以工业智能为依托，开展以能量网络模型为核心的信息物理融合能源系统和群智能分布式分层智能决策机制的研究；以智能系统测评为依托，开展一般智能系统与技术的智能性测评分析和测试验证理论方法与关键技术的研究；以智慧城市为融合目标，融合交通能源系统构建智慧城市的信息物理系统，并基于智能与网络化复杂系统研究智能群体决策与控制理论体系。
在科研方面，近年来，研究所共主持承担和完成国家实验室、国家重点研发计划项目、国家 973 项目、国家 863 项目、国家十一五科技支撑项目、国家自然科学基金重点项目、面上项目、国家十一五科技攻关项目、北京市科委项目、重大横向项目等 60 余项科研项目；荣获国家科技进步奖一等奖 1 项、二等奖 2 项、国家自然科学奖二等奖2项、省部级科研奖励 10 项。主持科技部 111 高水平引智计划 2.0项目 1 项，是何毓琦讲席教授组依托基地。
研究所拥有智能与网络化系统研究中心和智能车路协同与自动驾驶研究中心，同时拥有智能交通系统联合实验室和清华 - 清鹤视频场景融合联合研究中心，在北京信息科学与技术国家研究中心设有研究方向，并深度参与清华大学 - 美团数字生活联合研究院科研工作。
在教学方面，研究所承担了《系统学》《凸优化》《系统建模理论与分析》《软计算理论与方法》《智能交通系统概论》《英文科技论文写作》《大数据伦理》等研究生课程，以及《运筹学》《系统工程导论》《智能交通系统新生研讨课》《多媒体技术及应用》《数据结构》《计算机网络及应用》《智慧网联系统》等本科生课程的教学任务。同时，为加强本科研究生贯通的教学培养理念，成立了“智能与决策分析”课组，在原有系统学课程的基础上逐步开设智能与决策分析课程；为加强本科自动控制和研究生线性系统理论课程建设，成立了控制课组，在保证已经获评国家级在线精品课程线性系统理论的基础上，努力建设本科自动控制国家级在线精品课程；进一步做好已经获评国家级在线精品课程的研究生素质课《英文科技论文写作》的建设。
检测与电子技术研究所成立于1999年10月，源于童诗白先生创建的清华大学“电子学教研组”和我国第一个“自动化仪表与装置”博士点，由“自动检测与仪表教研组”和“电子学教研组”合并组成，首任所长为杨士元，历任所长为罗予频、王红、彭黎辉，现任所长为郑小平。研究所经过一代代传承和创新，涌现了阎石、华成英、胡东成、王红等深受同学欢迎的优秀教师，拥有华成英、师丽、王红三位国家教学名师。
研究所依托“检测技术与自动化装置”二级学科建设，主要研究方向包括：（1）磁法、太赫兹和红外等电磁波探测技术及其无人化智能化载运平台；（2）电力电子与多能源网络系统，智慧能源系统及装备；（3）控制系统故障诊断技术，模式识别；（4）生物感知机制与智能控制；（5）多传感器信号融合理论与技术；（6）声波探测成像技术；（7）网络型信号检测与处理技术等。
在科研方面，研究所获得了2018国家科学技术进步奖二等奖（危险化学品事故遥测预警与群体疏散应急技术）、2020国家科学技术进步奖二等奖(高比例新能源电力系统电能净化关键控制技术及应用)；2017教育部自然科学奖一等奖（大规模群体紧急疏散理论与方法）、2020教育部科技进步奖一等奖（遗弃化学弹探测技术与应用）、2020年度浙江省科技进步一等奖（网源友好型智能光储系统关键技术及产业化）；2019中国石油和化学工业联合会科技进步奖一等奖（危险化学品泄漏源定位技术与系统）、2019中国自动化学会科技进步特等奖（高性能大容量电能净化装备关键控制技术及工程应用）、2020年度中国电力创新奖一等奖（新能源与异步电网源网协调关键技术研究及应用）、2024中国电工技术学会科技进步一等奖（新能源发电多模态自主阻尼控制关键技术及装备）等。
在教学方面，研究所遵循一代教学大师童诗白先生的合格教师必须具备的五种精神：乐教精神、奉献精神、钻研精神、集体精神、自律精神。面向全校开设课程主要有：《模拟电子技术基础》《数字电子技术基础》《电能变换原理与系统》《太赫兹技术概论》等基础课程。负责自动化系主要课程有：《智能传感与检测技术》《太赫兹探测与成像技术》《现代电子系统设计》等技术基础和专业课程教学。《模拟电子技术基础》（第五版）获2021首届国家优秀教材一等奖，《数字电子技术基础》（第六版）获2021首届国家优秀教材二等奖；《数字电子技术基础》获2017国家精品在线开放课程、2019国家线下一流课程和2020国家线上一流课程，《模拟电子技术基础》获2017国家精品在线开放课程和2020国家线上一流课程，《电子技术基础》获2016国家级精品资源共享课。
2007年，自动化系成立导航与控制研究中心；2016年，成立导航与控制研究所。
研究所依托“导航、制导与控制”二级学科建设，针对天基、空基、地基等特种智能机器人系统，开展了系统总体设计、智能导航与控制、智能博弈与决策等关键理论与技术研究。研究方向包括智能机器人技术与系统、多智能体理论与技术、飞行控制与管理技术、航天器导航与控制技术等。
在科研方面，研究所牵头承担并完成了包括国家863智能机器人重大项目、国家 973 项目、创新特区重点项目、国家大型客机研制重大专项项目、科技部重点研发计划项目、自然基金重点项目和面上项目等，获得国家科技进步特等奖 1 项、省部级科技进步一等奖 4 项、科技进步二等奖 1 项。
在教学方面，研究所面向本科生、研究生开设了《导航、制导与控制》《飞行控制系统》《空间机器人》《太空机器人技术研讨》《智能机器人》《自动控制原理》等多门与机器人、智能无人系统、航天航空器控制相关的课程。
工业智能与系统研究所的前身是工业企业自动化教研组。1970年自动化系建系，工业企业自动化教研组由电机系转入；1978成立系统模拟实验室，后改名为系统仿真实验室、系统仿真研究室；1987年6月，国家开始论证和实施“计算机集成制造系统（CIMS）实验工程”。1992年，筹建国家CIMS工程技术研究中心。1995年，国家CIMS工程技术研究中心获批并正式挂牌。1999年，工业企业自动化教研组、CIMS中心、系统仿真研究室组建系统集成研究所。2020年，由于学科调整，研究所更名为工业智能与系统研究所。
研究所依托 “工业智能与系统”二级学科建设，主要研究方向为：复杂生产过程计划与智能调度、分布式协同控制及其优化决策、大规模网络化系统基本特性分析与结构辨识、智能研发设计与虚拟仿真及数字孪生、智能感知与机器学习理论及应用、设备健康管理与智能维护、产品表面制造质量智能检测、智能服务与企业集成、工业互联网技术与应用、众智科学与工程、智能生物制造与生物医药、机器人智能操作与人机交互、深海机器人关键技术与系统等。
在科研方面，研究所作为国家 CIMS 工程研究中心的主体部分，在我国 CIMS 的发展历程中发挥了牵引与导向作用。先后完成了国家863 计划重大攻关项目“CIMS 实验工程”、“并 行工程”、“CIMS 应用集成平台”、“虚拟制造”、“敏捷供需链”等以及重大工程项目“成都飞机公司CIMS 工程”、“广东华宝空调器厂CIMS 工程”、“山西经纬纺机公司CIMS 工程”、 “广东溢达纺织公司车间调度系统”等。近年来，围绕我国“智能制造”和“新一代人工智能”发展战略，先后主持国家 973 项目“复杂生产制造过程实时智能控制与优化理论方法”、国 家“新一代人工智能”基础前沿重大专项“复杂制造环境下的协同控制与决策理论方法”和 国家自然基金委重大科学仪器研制项目“深海可控式可视化采样器关键技术研究与样机”等国家重大项目、国家自然科学基金重点项目、科技部重点专项项目和课题 60 余项。20 余年来，获国家科技进步二等奖 4 项，省部级科学技术一等奖 8 项，二等奖 13 项。
在教学方面，研究所承担了自动化系本科生课程 10 余门，包括 CIMS 导论、企业信息化系统与工程、生产系统计划与控制、应用随机过程、运筹学、计算机仿真、计算机语言与程序设计、数据结构、数据库系统原理等。
脑与认知科学研究所的前身是控制理论与技术研究所。控制理论与技术研究所由1955年在电机系设立的“工业企业电气化专业”和“自动学与远动学专业”发展而来。“工业企业电气化专业”于1956年更名为“工业企业电气化与自动化专业”，并于1970年自动化系建系时并入自动化系，组成工业自动化教研组；“自动学与远动学专业”1958年并入自动控制系更名为“自动控制专业”，1979年该专业从事自动控制理论研究与教学的部分教师并入自动化系，组建了控制理论教研组。1999年，工业自动化教研组与控制理论教研组合并，成立控制理论与技术研究所。2020年由于学科调整，更名为脑与认知科学研究所。
研究所依托“脑与认知科学”二级学科建设，主要研究方向涉及：脑工程、脑机理、脑疾病与类脑计算，计算摄像与光电智能计算，量子控制与机器学习、智能无人系统、认知媒体等。
在科研方面，主要科研项目有：自然基金委国家重大科研仪器、科学中心、创新研究群体、重点、国际合作、国家杰出青年科学基金、优秀青年科学基金、面上等，科技创新 2030-“新一代人工智能”重大项目、科技创新 2030-“脑科学与类脑研究”重大项目、重点研发计划重点项目，国家 863 项目、国家支撑计划项目、国家发改委项目、国家重大专项、国际合作项目等。研究所获得的主要奖项有：国家技术发明一等奖 1 次、国家技术发明二等奖 2 次、国家科技进步二等奖 3 次、省部级一、二等奖多次、国际空中机器人大赛冠军等。申请国家发明专利 600 余项，已授权 300 余项；在国际顶级期刊 Nature、 Cell 、Science等发表多篇论文。
在教学方面，2022年，研究所教师戴琼海院士牵头的教师团队入选第二批全国高校黄大年式教师团队。研究所教师讲授《数据结构》《自动控制理论》《视觉信息获取与显示》《运筹学》《计算机视觉》《面向对象程序设计训练》《人工智能基础》《计算机原理与系统》等本科生课程，讲授《矩阵分析与应用》《多传感器融合理论及其应用》《最优控制》《计算摄像学专题》《视频处理和宽带通信》《现代控制理论》《情感计算》等研究生课程。
