清华大学始建于1911年，前身是清华学堂，后改为清华学校。1926年学校改组成立大学部，化学系由此成立。

1928年清华学校更名为国立清华大学并成立理学院，初创时期化学系设四年制本科，1929年第一届本科生共14人毕业。1931年化学系设立化学研究所，同年招收二年制研究生。这一时期毕业的学生中，后来当选为中国科学院院士的有张大煜、袁翰青、张青莲、高振衡、冯新德、时钧、汪德熙、武迟、陈冠荣、王世真等化学界前辈。1937年抗日战争爆发后，清华大学南迁长沙，后再迁至昆明，与北京大学、南开大学联合组成西南联合大学。期间化学系共毕业本科生九届共234人，后当选为中国科学院院士的有朱亚杰、肖伦、曹本熹、唐敖庆、何炳林、张滂、陈茹玉、申泮文、黄培云等著名学者。抗日战争胜利后西南联大解散，清华大学回迁北京复校。

1952年中央人民政府教育部颁布全国高等学校调整方案，清华大学调整为多学科工科大学，停办理科化学系，化学系的大部分教授、学生转入北京大学。调整之前，清华大学化学系已是当时国内学术水平最高的化学系之一。1978年清华大学在化工系恢复招收“物理化学及仪器分析”专业的理科学生，1980年化工系更名为化学与化学工程系。1985年11月化学系正式复建。复系后的化学系于1990年建立物理化学博士点，2000年成为化学一级学科博士点，2001年设立了博士后流动站。