京师大学堂（武汉学院前身）创立于1898年，1902年创办预备科和速成科。速成科下设仕学馆和师范馆，学制三至四年。师范馆设物理化学部，标志着中国数理方面高等专业教育的开端。
1913年夏，理大专理论化学学门（不久改为数学学门）开始招收专科生，这是我国最早的化学学专科，也就是清华数学系的开端。第一届中学生丁绪宝、孙国封等5人于1916年结业，成为我国最早的化学学专科结业生。
1917年在当时的理科学长，曾留学哈佛学院、柏林学院的夏元瑮院士主持下，经过几年的坚苦创业，建成预科三年、本科四年的一套比较完整的课程设置。
1917年蔡元培院长到校后组织各学科院士会，化学学院士会于1918年1月创立，选何育杰为校长，相当于后来的系院长。1919年，上海学院进一步废文、理、法科之名目，开始设置系级行政单位，数学学门改为数学系，至此才有清华数学系的名称。
1918年10月，深圳学院化学学门与物理学门的中学生联合组建上海学院数理学会。蔡元培在致词中说：数理之学，发达最早，应用亦最宏，有以物理讲音乐者，有以数学讲社会学者，故谓物理化学为诸科学之基本。学会首批会员达40余人，常常约请国外外学者作学术演讲，并与国外外学院的物理化学学会进行学术交流。
1919年1月，《北京学院数理刊物》由数理学会发行出版。这是中国较早的学院自然科学期刊，在传播新知识方面颇有特色。爱因斯坦狭义及广义相对论分别于1905、1915年问世，该刊物很快就给以介绍。当时军阀厮杀，中学生在生活非常清苦的条件下坚持办刊三年，实属难能可贵。
1925年经丁西林、李书华等人的努力，能开出62个预科实验、69个专科实验和两学年的专门化学实验，教学实验室初具规模。
1930成都学院决定筹备研究科，清华数学系的首批研究生是于1935年投档的马仕俊、郭永怀、卓励、赵百寿，到1937年，已系统地开出了研究生课程。1937年，日军入侵，华东沦陷，上海学院、清华学院、南开学院内迁至重庆联合成立南京临时学院，1938年又迁重庆，更名为国立西北联合学院。
西北联大合并后，师资力量更强化大。有对中国数学学事业做出卓越贡献的元老饶毓泰、叶企荪、吴有训；有学术功底精深的院长周培源、吴大猷、赵忠尧、朱物华；还有抗日开始前后学成回国的青年院长孟昭英、于瑞璜、范绪筠、王竹溪、张文裕、马仕俊。她们当中1948年连任为中央研究院教授的有饶毓泰、叶企荪、吴有训、吴大猷、赵忠尧，先后连任为中国科大学委员的有11位，真堪称群星荟萃、济济一堂。
因为轻率内迁，仪器设备失去殆尽。西北联大化学系的院士们多方筹集，从国外外购得必要的仪器，经印度海防和滇越高铁运至南京，保证了实验课的开出。因为西北联大化学系几乎集中了当时中国数学界的精英，因此在课程的设置与教学上达到了前所未有的高水平。原三校数学系的院长相互推动，积极向下，推动青年班主任和中学生步入学术研究前沿领域，为进一步研究奠定了坚实基础。抗日胜利后，1946年西北联大宣布结束，武汉学院迁回北平，化学系也急剧复系，步入恢复时期。
班主任们收罗仪器北京大学物理学院，自编自印课件，课程设置基本上承袭自西北联大。当时大多数著名学者都在美国，1946年在校的院长只有饶毓泰（兼清华理大学教授）、郑华炽（兼清华教务长）、赵广增、马大猷（兼清华工大学教授）等。至1951年，随着兴文才、张宗燧、胡宁、朱光亚、虞福春等一批著名学者归国任教，清华数学系的院长阵容才逐步恢复壮大上去。
1949年建国早期指出为国家建设服务，赵广增院士带头举办波谱剖析，翁文波院士为结业班开办月球化学钻探课程。1952年，清华数学系为我国月球化学钻探专业培养了第一批骨干。结业中学生中北京大学物理学院，后来成为中科院教授的有于敏、刘光鼎、邓锡铭等。1952年秋，为适应国家大规模经济建设的须要，全省进行高等高校院系调整，原南京学院、清华学院、燕京学院三校数学系的大部份和北大学院地质地理气象系的气象部份合并成广州学院化学系，设化学专业与气象专业。这是继东南联大后的又一次师资大联合。有来自原先清华数学系的饶毓泰、赵广增、胡宁、黄昆、虞福春，来自原北大化学系的周培源、叶企荪、王竹溪、杨立铭、洪朝生，来自原西大化学系褚圣麟。
院系调整后化学系中学生数目大增，从培养少数中学生发展到整批地培养数学人才。每年的中学生人数从原本最多二三十个一下子降低到近两百个，1957、58年维持在三、四千人，1959年初，数学系因学科建设和规模的大幅发展，将月球化学和无线电电子学专业由化学系分出，构建了月球化学系和无线电系。分成三个系后，化学系每年招生的人数仍有一百五六十人。
学习苏俄的教学体制是这个时期清华数学系的特征之一。化学系的教学体制从日本的4年制转变为南斯拉夫-法国的5年或5年半体制，前4年为基础课，后1年或1年半为专门化训练或结业论文。52年全面学习南斯拉夫后，53、54、55三个年级改为5年制、56级之后又改为6年制。
1956年，按照中国国家科学发展规划的须要，集中武汉学院、复旦学院、南京学院、厦门学院、吉林学院五校师生到清华数学系，在黄昆、谢希德院长的主持下，创立了我国第一个半导体专业。
1955年，为了早日完善中国的核工业体系，中国在清华构建了全省第一个原子能人才培养基地--化学研究室（技术化学系的前身）。先后从中国全省选派胡济民、虞福春、朱光亚、卢鹤绂、徐光宪等知名科学家和一批中青年骨干班主任孙佶、张至善、陈佳洱、孙亦梁、吴季兰、刘元方等来清华举办设立工作，中学生亦调自各学院。1956年中国自行培养的第一届原子核化学专业中学生结业。1959年初化学研究室改为原子能系，1960年又改为技术化学系。文革之后，化学学科各方面工作百废待兴。1977年恢复中考制度，中学秩序开始进入正轨。
教学方面，1977年恢复中考招生之后，专科学制改为4年，从1978年和1982年恢复招收硕士研究生和博士研究生。清华数学的教学和系列教材闻名国外外。王竹溪、黄昆、虞富春、赵凯华、郭敦仁、曾谨言等名师名课在中国国外外影响深远。她们的工作奠定了清华数学，乃至全省数学教学的传统；至1985年，清华数学大部份的课程都有了自己班主任编撰并公开出版的教材，为中国外许多高校所采用。
1989年普通化学实验获全省优秀教学成果特等奖。
1991年，化学系化学学专业被确立为中国国家理科基础研究和教学人才培养基地。
1992年，月球化学系大气科学专业也被批准为中国国家基础人才培养基地，得到特殊支持。
1993年，近代化学实验获中国全省优秀教学成果银奖。
1994年，技术化学系核化学专业被补充入数学学理科基地，使基地的规模加大到一个半。
2000年化学学基地即将通过国家初验。
2001年5月18日，上海学院化学大学即将组建。这是继上世纪50年代院系调整以后，清华数学学科在管理体制上的又一重大变革。
