为适应国家工业建设和国防建设的需要，清华大学于五十年代即设置了与自动化学科有关的一批专业，包括工业企业电气化与自动化专业（1955年设在电机系）、自动学与远动学专业（1955年设在电机系，1958年6月并入自动控制系改名为自动控制专业）、热能动力装置专业中的热力设备自动化专门化以及后来的热工量测及自动控制专业（1956年设在动力机械系）等。
清华大学将一批有关的专业联合建立起国内第一个自动化系（初期名为工业自动化系），其人员主要来源于电机系和动力机械系两大部分。 参与组建的电机系单位包括工业企业电气化与自动化教研组、电子学教研组（原名工业电子学教研组）、可控硅元件及装置车间、电机系系机关以及少数由其他教研组抽调出来的教师；动力机械系的单位包括热工量测及自动控制教研组的绝大部分教师。初建系时全系教职工共约200人，其中教授2人，副教授5人，讲师34人，助教43人，还有1970届毕业生87人，此外还包括一部分基础课和政治科教师。建系当年开始招收工农兵学员，自1970年至1976年，先后招生6届，共1264人。
学校统筹进行专业布局调整，将原来在计算机系（即前自动控制系）从事自动控制理论研究与教学的部分教师并入自动化系，加强自动化学科的理论基础，成立了控制理论教研组。 为适应国家经济建设的发展以及迎接新技术革命的挑战，这一时期自动化系在学科建设和布局上进行了重大的调整和发展。首先是完成了专业内容的更新，一方面继续巩固和提高在控制工程方面的优势，加强现代控制理论基础和其它新技术的研究；另一方面不失时机的开展信息技术和系统工程学科的教学和科研工作。在著名信息科学家、中国科学院学部委员常迥教授支持下，建立了信息处理与模式识别教研组以及相应的博士点；郑维敏教授领导建立了系统工程研究室。同时，积极开展学科建设，全系于1981年成立了自动化科学与技术研究所，常迥教授担任第一任所长。此外，大力发展研究生教育，全系四个研究生专业（学科），即自动控制理论及应用、模式识别与智能控制、系统工程以及自动化仪表与装置，这些都是国家首批公布的具有博士学位授予权的学科或专业。随后，全系又集中力量建立了系统模拟试验室（后更名为系统仿真试验室），配备了当时较为先进的模拟和数字计算机。
为适应国民经济建设和科学技术发展的需要，进一步放宽专业口径。1988年自动化系将原有本科三个专业（自动控制、生产过程自动化以及检测技术与自动化仪表）合并为二个专业（自动控制以及过程自动化与自动检测），1993年又把两个专业合并为一个自动化专业。
全系积极参与了多项国家级的建设项目，其中包括承担了国家高技术自动化领域重点项目“计算机集成制造系统（CIMS）”实验工程建设和“集成化化管理与决策信息系统（I-MADIS）”开放实验室的建设任务，并受国家科委的委托主管CIMS主题办公室的工作。在校内外各单位大力协作共同努力下，经过五年半奋战，CIMS实验工程于1992年底建成并通过国家验收，成为具有国际先进水平的自动化科学技术工程研究中心，并于1995年荣获美国制造工程师学会颁发的国际大奖“大学领先奖”。 随着改革开放的进一步扩大，我系从1997年开始相继与多家国际公司建立了合作关系，先后成立了与美国Rockwell、日本NEC和OMRON、德国Festo和P＋F等公司建立了联合实验室。这些实验室的建立为我系教学和科研工作发挥了积极的作用。 1999年我系配合学校进行的体制改革，将原有的8个教研组调整为6个研究所，即控制理论及应用研究所、系统集成技术研究所、信息处理技术研究所、过程控制技术研究所、系统工程研究所和电子及检测技术研究所。
