早在公元前 ， 中国已在指南车上应用复杂的齿轮系统 ， 在被中香炉中应用了能永保水平位置的十字转架等机件 。 古希腊已有圆柱齿轮、圆锥齿轮和蜗杆传动的记载 。 但是 ， 关于齿轮传动瞬时速比与齿形的关系和齿形曲线的选择 ， 直到17世纪之后方有理论阐述 。
手摇把和踏板机构是曲柄连杆机构的先驱 ， 在各文明古国都有悠久历史 ， 但是曲柄连杆机构的形式、运动和动力的确切分析和综合 ， 则是近代机构学的成就 。 机构学作为一个专门学科 ， 迟至19世纪初才首次列入高等工程学院的课程 。 通过理论研究 ， 人们方能精确地分析各种机构 ， 包括复杂的空间连杆机构的运动 ， 并进而能按需要综合出新的机构 。
机械工程的工作对象是动态的机械 ， 它的工作情况会发生很大的变化 。 这种变化有时是随机而不可预见；实际应用的材料也不完全均匀 ， 可能存有各种缺陷；加工精度有一定的偏差等等 。
与以静态结构为工作对象的土木工程相比 ， 机械工程中各种问题更难以用理论精确解决 。 因此 ， 早期的机械工程只运用简单的理论概念 ， 结合实践经验进行工作 。 设计计算多依靠经验公式；为保证安全 ， 都偏于保守 ， 结果制成的机械笨重而庞大、成本高、生产率低、能量消耗很大 。
从18世纪起 ， 新理论的不断诞生 ， 以及数学方法的发展 ， 使设计计算的精确度不断的提高 。 进入20世纪 ， 出现各种实验应力分析方法 ， 人们已能用实验方法测出模型和实物上各部位的应力 。
20世纪后半叶 ， 有限元法和电子计算机的广泛应用 ， 使得对复杂的机械及其零件、构件进行力、力矩、应力等的分析和计算成为可能 。 对于掌握有充分的实践或实验资料的机械或其元件 ， 已经可以运用统计技术 ， 按照要求的可靠度 ， 科学地进行机械设计 。

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