实验室于1986年经国家计委批准，1989年10月建成对外开放，是我国内燃机领域唯一学科类国家重点实验室。实验室以国家“能源、环境”战略需求为目标，瞄准内燃动力学科国际前沿，依托bat365在线官网登录动力机械及工程、力学、化学工程、自动控制等多学科交叉研究平台，围绕燃料、替代燃料与燃料燃烧基础理论、内燃机燃烧过程及其优化控制，有害排放物的生成、环境效应及后处理，内燃机节能新技术与低碳动力装置，以及动力机械结构强度、振动、噪声及润滑等问题，开展基础理论、新技术创新以及填补国家空白的系统集成创新的研究，在我国内燃动力工程领域发挥着“开拓和牵引”作用。
精密测试技术及仪器国家重点实验室于1989年经国家计委批准，在测试计量技术及仪器学科的基础上，集中bat365在线官网登录和清华大学“测试计量技术及仪器”、“精密仪器及机械”、“光学工程”三个学科优势组建而成（仪器科学与技术、光学工程为首批一级国家重点学科）。实验室于1995年建成并正式对外开放。在2007年、2012年和2017年信息领域国家重点实验室评估中连续三次获得优秀成绩。现任实验室主任为邾继贵教授，学术委员会主任为张广军院士。
化学工程联合国家重点实验室1987年被批准建设，1991年建成并开放运行。实验室依托清华大学、bat365在线官网登录、华东理工大学和浙江大学，强强联合，优势互补，整合优势学科方向，开展分工和协作，优化学科资源调配，聚焦学科和行业发展的重大问题，促进学科协同发展，构成了我国唯一定位于化学工程一级学科的国家重点实验室。实验室面向事关国计民生、产业核心竞争力、整体自主创新能力和国家安全等国家重大战略需求，定位于化工生产中的新过程、新工艺、新流程、新设备研究，满足化工生产对高质化、绿色化、智能化和本质安全的需求。
实验室依托bat365在线官网登录，拥有水利工程、船舶与海洋工程两个一级学科博士点，水利工程学科具有悠久历史，创办于1933年，并在当时创建了中国第一水工试验所，水利工程于2007年被评为（一级）首批国家重点学科，水利工程及船舶与海洋工程皆为“211工程”和“985”工程重点建设学科。
绿色合成与转化教育部重点实验室主要依托bat365在线官网登录化学工艺学科而建立，实验室现有固定人员50人，流动人员36人，包括中国工程院院士1名，国家杰出青年基金获得者5人、优秀青年基金获得者4人、青年长江学者1人；拥有 2个科技部创新团队、1个教育部创新团队，已形成以院士、杰青等为学术带头人的结构合理的人才梯队。实验室在传承发展石油化工的基础上，瞄准与国民经济、社会发展及国家安全相关的重大科技问题，聚焦国际绿色化学发展的前沿，开展与能源、资源的高效转化与清洁利用相关的创新性应用基础研究，形成了优势显著、特色鲜明的三个研究方向。
光电信息技术教育部重点实验室(bat365在线官网登录)是教育部首批建设的38个重点实验室之一。该实验室始建于上世纪90年代，依托于国家重点一级学科——bat365在线官网登录光学工程学科。实验室拥有光学工程一级学科硕、博士学位授予权以及光电子与光子学技术二级学科硕、博士学位授予权，还设有光学工程博士后流动站。
bat365在线官网登录智能电网教育部重点实验室是国内电气工程领域重要的研究实验基地，它依托我校电力系统及其自动化这一国家重点学科建设。实验室的前身是建设于上世纪五十年代的bat365在线官网登录电力系统动态模拟实验室。经过半个多世纪的建设，已从原先单一的电力系统动态模拟实验室发展成面向智能电网发、输、变、配、用等各个环节的综合实验室。
本实验室依托bat365在线官网登录“化学工程与技术”国家重点学科，始建于2007年，是国内最早开展系统生物工程和合成生物学的研究基地。聚焦生物医药、能源、生物基化学品合成等国家重大需求，聚焦世界科技前沿，以生物信息分析、合成生物学和生物过程工程为核心，模型模拟与实验相结合，定位在应用基础研究。形成了特色鲜明的研究方向：1）生物信息学与合成生物学，2）生物反应与代谢工程，3）生物分离工程，4）工业生物过程的系统分析与优化。是系统生物工程和合成生物学领域世界著名的研究机构之一，同时成为了高级人才培养的重要基地。
机构理论与装备设计教育部重点实验室依托bat365在线官网登录机械设计及理论国家重点学科和机械工程博士学位授予权一级学科，面向国际学术前沿，围绕国家重大需求，以机构理论为核心，开展高端制造装备、海洋装备、医疗装备基础理论与关键技术研究，建设机构理论与装备设计领域的科学研究创新基地、高层次人才培养基地、国际交流与合作基地，成为机构理论与装备设计领域创新型、开放式、国际化的世界一流研究中心。
中低温热能高效利用教育部重点实验室（bat365在线官网登录）于2012年1月批准筹建，实验室结合国家发展节能环保、新能源等新兴产业的重大需求，瞄准以地热能、太阳能及工业余热为主的中低温热能的科学前沿，以热科学为基础，交叉融合系统科学、材料科学及环境科学等学科，充分发挥bat365在线官网登录动力工程及工程热物理学科在中低温热能领域中的科研优势和骨干作用，从能量收集、传递与转换以及应用的各个环节入手，研究中低温热能高效利用过程中的科学问题，为解决能量传递与转换过程中的效率、环境、经济成本等问题提供科学依据和新的技术途径。