北京大学的工科教育历史悠久，1910年3月即组织了工学院（当时称工科分科大学），下设土木、矿冶两个系（当时称门）。1916年以后，北大工学院经过停办、再建、扩大，到1952年已培养了近5000名学生；其后工学院的师生中陆续有23人入选两院院士。1952年全国院系调整，北大工学院的机械、电机、土木、建筑四个系合并到清华大学，化工系合并到天津大学；北京大学工学院的建制取消。
1952年，著名科学家周培源教授创立了北京大学数学力学系力学专业,这是新中国的第一个力学专业。自创立之日起，以周培源为代表的一大批著名学者，如：钱敏、吴林襄、叶开沅、陈耀松、董铁宝、王仁、周光炯、孙天风等为北大力学的创立付出了他们的努力和智慧，奠定了北大力学系发展的坚实基础。1979年3月24日，北京大学力学系成立。经过几代人的艰苦创业、辛勤耕耘，力学系在教学、科研和基础建设等各方面取得了很大发展，培养出一大批优秀力学与工程技术人才，他们已经成为科技、教育、国民经济与国防建设各行业的领军人物和技术骨干。入选为中国科学院院士和中国工程院院士的 16 位院友，以及入选为美国、加拿大和澳大利亚院士的 3 位院友就是他们的杰出代表。
随着我国社会的发展，现代工业技术愈加处于关键地位。北京大学原有的学科设置偏向文、理、医等学科，在基础学科教学、科研实力占据国内首屈一指地位的同时，面向现代工业技术的工程学科未得到充分发展。在这样的背景下，与国家需求、经济建设相结合，创造自主知识产权，实现工业兴国战略，帮助北京大学基础学科研究成果进行产业转化，为祖国的建设服务，就成了摆在北京大学面前的一项重要使命；另一方面，北京大学要建设成为世界一流大学，在未来尖端新技术的前沿学科和交叉学科占有一席之地，学科完备十分重要。这些需求，就要求北京大学大力发展工程学科。
北京大学在工程技术人才培养、应用科学研究及技术开发等方面有进一步提高的空间。从当时的条件和国家发展形势来看，北京大学有条件组建起点较高的新的工学院模式，使之成为完备的研究型大学。2005年2月，北京大学校长办公会议决定利用自身强大的理科、医科以及人文科学的综合学科优势，重新创建工学院。
工学院从成立开始就从高起点出发，立足于尖端科技、交叉学科，着眼于未来工程科学和新技术的发展方向，面向国家迫切需要及关系国家中长远经济发展的科学与技术研发。因此，北大工学院的发展以培育核心创造能力为中心，有所为、有所不为，优中求精。同时，学院采用与国际接轨的院长负责制，实行“教授治学，民主治院”。学院重建以来，在学科发展、队伍建设、科学研究、人才培养、合作与发展等方面取得了突出成绩。
学院现设有6个系，以及国家重点实验室、北京市工程科学与新兴技术高精尖创新中心等多个重要研究机构，它们中不少已经进入世界先进学科的行列。工学院有四个双一流学科，包括力学、材料科学与工程，控制科学与工程，机械、航空航天和制造工程。其中力学学科在第四轮学科评估中被评为A+学科。
学院教师实行国际通行的聘任制度(Tenure-Track) ，面向全世界公开招聘优秀人才。学院现有院士9人（含双聘）。目前正式教研系列教师107人，其中海外高层次计划人才（含青年项目）、长江学者、国家杰出青年基金获得者、国家优秀青年基金等60余人，自2013年至今，北京大学工学院有三位教师入选中国科学院院士，一位教师入选美国工程院院士。工学院是北京大学高端人才比例最高的学院之一。
工学院现拥有7个本科专业、13个博士专业（学术型11个，专业型2个）、14个硕士专业（学术型11个，专业型3个）。高水平和国际化的教学体系是学院的教学特色。学院是国家基础科学人才培养基地，在保持北京大学高水平的教学传统的同时，大力推进课程与教学改革，在培养科学家的同时，加大培养重大工程及产业领袖的力度，并通过联合培养和交流等多种形式，加快教育国际化。例如，2009年学院开始的与美国佐治亚理工大学和艾默里大学的生物医学工程联合博士学位项目，暑期国际化项目GLOBEX，美国工程院“重大挑战学者培养计划”(Grand Challenges Scholar Program, GCSP)，与美国南加州大学开展的“世界课堂”，与美国斯坦福大学、加拿大多伦多大学和新加坡国立大学联合举办的顶点设计项目等。学院也承办了一系列重大的国际活动，例如，2011年10月成功主办了全球工程教育领袖峰会即“全球工学院院长大会”；2014年4月，北京大学工学院主办2014亚洲工程教育领袖峰会（Asian Engineering Deans Summit，AEDS 2014）。2015年，北京大学工学院入选科技部（原国家外国专家局）和教育部联合实施的“高校国际化示范学院推进计划”第二批试点学院之一。2016年12月授予华裔物理学家、诺贝尔物理学奖获得者、美国能源部前部长朱棣文教授北京大学名誉博士学位，2018年12月15日授予美国国家工程院院长、中国工程院外籍院士丹尼尔·牟德北京大学名誉博士学位。
近5年来，工学院在多个领域承担国家重大科研项目，共负责和参与各类项目900余项，其中，国家级项目300余项，国家自然科学基金“创新群体”4支，教育部“创新群体”2支。2019年在研科研项目500余项，包括，国家重点研发计划项目7项，国家重大专项和重点研发计划课题31项，国家自然科学基金创新研究群体、重大项目与课题、杰出青年基金、重大科研仪器以及各类重点项目49项。自2005年建院以来以第一单位获得国家级科研奖励5项、教育部科研奖励8项。近5年到校科研经费超过14亿元，以第一作者或通讯作者发表SCI论文2700余篇，人均科研经费和SCI论文数均居全校前列。
“用世界的智慧与力量办世界一流工学院”是学院的办学理念。学院成立了由世界著名科学家组成的指导委员会，以及由国内外大型企业领袖组成的理事会，为学院的战略制定、资源拓展献计出力。产、学、研结合是学院办学的重要战略举措。学院尊重新技术、新产业、新经济的发展规律，响应国家重大产业政策，创新发展了产学研合作机制和北京大学院企合作模式。学院积极构架“产学合作协同育人”平台：建设院企共建课程、完善企业实训体系、提高院企合作项目孵化效率。工学院致力于引领北京大学“新工科”发展的新思路，与业界紧密合作探索和推动国内工科发展的新方向。
