清華大學淵源自清末的「清華學堂」，可分為北京清華（1911-1937；1946-1948）、西南聯大（1937-1946）、新竹清華（1956-）等三個時期。

北京清華時期 （1911-1937；1946-1948）

1908年（光緒三十四年），在清末駐美公使梁誠的努力之下，美國同意退回庚子賠款的溢收款項。清廷遂利用此預算，在1909年（宣統元年）成立了「遊美學務處」及附設「肄業館」。1911年（宣統三年），遊美學務處決定擴大肄業館的規模職掌，因館址位於清華園，而將之更名為「清華學堂」並開始招生，於1911年4月29日（宣統三年四月初一日）正式開學，是為清華校慶日之由來。

1912年（民國元年）5月1日，清華學堂重新更名為「清華學校」。1914年，梁啟超先生來校演講，以「君子」為題。其引述易經中之「天行健，君子以自強不息」及「地勢坤，君子以厚德載物」勉勵同學，學校遂將「自強不息、厚德載物」採為校訓。

1925年5月，「清華學校大學部」成立。1928年8月，「清華學校」正式改名為「國立清華大學」。由羅家倫擔任首任清華大學校長，而後繼任者為吳南軒（1893-1980），但時間皆不長。此時清華學生會提出清華校長的理想人格標準：一、無黨派色彩；二、學識淵博；三、人格高尚；四、確能發展清華；五、聲望素著。中央反覆斟酌物色，終於在
1931年10月14日正式任命梅貽琦為清華大學校長，梅校長獲得清華師生的充分支持，也開啟了清華大學的黃金時代。1947年國共內戰爆發，梅校長一直續任至1948年12月，迫於時局搭機南遷，輾轉赴美執掌清華基金相關事宜。1954年奉召抵台，籌備清華大學研究院事宜，1955年清華大學在新竹選定校址建校，1956年正式招生開課，梅校長持續擔任清華的大家長至1962年5月病逝。

西南聯校時期 （1937-1946）

1937年，因抗戰爆發，清華大學與北京大學、南開大學在長沙合組「國立長沙臨時大學」，任命蔣夢麟、梅貽琦、張伯苓三校長為臨大校務委員會常務委員，共理校務。1938年遷往昆明，改名「國立西南聯合大學」，簡稱「西南聯大」。1946年西南聯大結束，三校分別復員，特在昆明立碑以紀念三校在抗戰八年中的艱苦合作。

新竹清華時期 （1956-）

1955年，中美簽訂了「中美合作研究原子能和平用途協定」，考慮到建立原子爐所需的沉重經費，遂讓有清華基金為後盾的清華大學在台建校，成為台灣原子科學研究的先驅。同年12月，行政院組成「清華大學研究院籌備委員會」，1956年1月1日，清華大學正式於台北成立籌備處，邁出清華大學在台建校的第一步。清華原先計畫在台北南港和新竹兩地間擇一建校。但南港腹地較小，且當時新竹縣長朱盛淇積極爭取，因此清華決定在新竹赤土崎建校。起初由中國石油公司提撥約40公頃（42甲）原屬日本海軍燃料廠的土地，但在原子爐開工後，校地已感不足，便由新竹縣長朱盛淇同意再撥約33公頃（34甲）土地，加上清華自身向周邊民家收購者，此時校地共約86公頃（89甲）。

1956年開始招生，因校舍尚未完工，故暫於台灣大學上課，至此清華大學校務在台正式運行。1957年，清華大學的辦公大樓、教職員宿舍、學生宿舍皆已相繼完工，學生遂從台北返回新竹上課。

清華自1955年開始原子爐的興建工作，至1961年落成。原子爐的土木工程由校友華泰建築師張昌華設計，裝置工程由清華自行設計施工。機件裝置時，由中國石油公司、台灣電力公司、台灣鋁業公司分別派員操作，並得經濟部聯合工業研究所之協助，為國內工業界與學術界首次密切合作之成果。
1962年5月19日梅校長病逝於台大醫院後，清華校務暫由陳可忠教務長代理，1965年陳可忠正式擔任校長。數學、核工、物理、化學系所皆設置於陳校長時期，清華的教學組織有了長足發展。1966年清華圖書館（紅樓）啟用，隨後體育館、大禮堂與新校門等相繼落成。1969年，舉行首屆「梅竹錦標對抗賽」。1969年7月陳校長退休，由閻振興校長繼任，1970年9月因閻校長調任台大校長，故由徐賢修校長繼任。1974年成立工學院、理學院、原子科學院。自此，新竹清華已從早期僅有原子科學所的規模，擴展成為理工大學。1975年9月徐校長奉命轉任國家科學委員會主任委員，由張明哲校長繼任。1980年大學部增設中國語文學系，新竹清華由此從理工大學邁向綜合大學之路。

1980年代正逢台灣經濟起飛， 1981到1994年間在毛高文校長、劉兆玄校長與李家同代理校長領導之下，清華大學不論在軟硬體設備、行政與教學政策以及校園文化上皆突飛猛進。1982年，首創長期發展委員會並制訂五年發展計劃，展開有系統的校園規劃。同年為鼓勵教學與學術研究，設立傑出教學獎與傑出研究獎。1984年增設人文社會學院。1988年成立藝術中心，定期舉辦各種藝文活動，開放校內師生與校外人士共襄盛舉。1989年，將共同科目改為通識教育中心，樹立台灣通識教育之典範，是為台灣高等教育發展的創舉。1991年新竹市政府徵收十八尖山南面約15.6公頃土地為學校用地，並在次年由本校以16億多元購置為新校地，亦即仙宮校地。1992年7月，增設生命科學院。

1994年教育部修正通過的大學法中，正式規定國立大學校長由遴選產生，同年沈君山校長當選清華第一任遴選校長。1994年到2006年間，依序由沈校長、陳信雄代理校長、劉炯朗校長與徐遐生校長接棒出掌校務。因應時代需要，於1998年成立電機資訊學院。2000年成立科技管理學院，至此清華七大學院之主要規模遂告完成。

清華也在此時期與其他著名大學展開交流：1995年12月，沈校長率團訪問北京清華大學，簽定「海峽兩岸清華大學交流合作備忘錄」。2001年2月，更加強推動兩岸學術合作，除與北京清華簽訂多項合作合約外，也與北大、復旦、蘇州、蘭州大學合辦「莙政學者」交換學生計劃。在國內也與交通大學、中央大學及陽明大學於2002年試辦共組「台灣聯合大學系統」，並於2008年1月奉教育部核定正式成立，結合四校之教學研究資源，發揮互補性。

來自各方社會賢達的奧援亦為清華成長的重要助力，2000年台灣積體電路製造股份有限公司挹注新台幣1億5千萬元與清華大學興建「台積館」，以供科技管理學院授課使用。2001年旺宏電子股份有限公司亦捐贈新台幣3億元與清華大學興建「學習資源中心」，使得清華的教學設施更加充實。
2006年，徐遐生校長卸任，由本校電資院資工系陳文村教授繼任。任內清華大學第一年獲教育部「邁向頂尖大學計劃」新台幣10億元補助，第二年至第五年每年獲12億元，為補助款幅度增長最大的學校。此外，為縮小城鄉差距，招收偏遠地區學生進行「繁星計畫」，也得到教育部的積極推動。2008年成立清華住宿學院，同年台達電子工業股份有限公司捐贈新台幣2億2千萬元與清華，興建教學大樓「台達館」。2009年完成貫穿南北校園管線系統的共同管道。台積館、奕亭與南大門陸續落成，啟動清華邁向卓越的新紀元。

2010年2月由陳力俊校長接棒。同年3月北京清華大學顧秉林校長率團訪問新竹清華，共商百年校慶及雙邊合作事宜。5月，本校工程與系統科學系（原核子工程系）第二屆校友李偉德博士捐贈1億5千萬元協助興建「綠色低碳能源教學研究大樓－李存敏館」。9月，陳校長率團赴北京清華大學參訪，並簽署共同建立兩岸清華大學聯合實驗室、聯合培養雙碩士學位等重要協議，而後者也是臺灣首所大學與中國大陸學校共同簽訂之校級雙聯學位協議。