清華大學數學科學系有著輝煌而悠久的歷史。其前身，是創建於1927年的清華大學數學系和前工程力學數學系計算數學專業以及1979年恢復建立的應用數學系。
從1927年創建至今，清華數學共經歷了三個不同的發展階段：1927年至1952年從創建到輝煌發展的階段、1952年至1979年從院系 調整到復建的特殊發展階段、1979年至今蓬勃發展的新階段。可以說，在每個發展階段清華數學系都為中國數學科學之發展和中國傑出科技人才之培養做出了很大的貢獻。
從1927年創立到1952年院系調整前的25年間，先後擔任過清華數學系主任的著名數學家有鄭之番、熊慶來、楊武之、江澤涵、 趙訪熊、段學復等。他們不僅積極引進和採用當時世界上最先進的數學教學體系，而且力倡學術研究、廣泛羅致人才，在短短二十五年裡就使清華數學從創建走向輝煌。在這期間有許多國內知名數學家先後來清華數學系任教，其中包括孫光遠、曾遠榮、胡坤升、許寶騄、陳省身、華羅庚、莊圻泰、閔嗣鶴、徐利治、程民德、吳新謀、萬哲先、馮康、周毓麟等。1935年還聘請了法國數學家、當時的世界算學會副會長J.Hadamard和美國數學家、現代控制論創始人N.Wiener擔任客座教授。這期間也湧現出了不少的數學人才，如陳省身、華羅庚、吳大任、莊圻泰、許寶祿、柯召等。可以說國際著名數學家陳省身、華羅庚等就是從清華數學系走向世界的，他們的輝煌成就對當代數學的發展產生了深遠的影響。由於提倡教學與研究兼重，當時取得了一批頗有影響的研究成果。如熊慶來在亞純函數方面所建立的無窮亞純函數論；楊武之在我國現代數論研究方面的開創性工作“稜錐數的華林問題”；華羅庚在解析數論方面關於素數變換的Waring問題的研究以及變數之素數的方程組的研究；陳省身對微分幾何中高斯—波內公式的研究以及拓撲學、Finsler幾何的研究等。1941年華羅庚的“堆壘素數論”獲得教育部頒發的首屆學術研究及著作發明國家一等獎，許寶祿的“數理統計”論文獲二等獎。
從1952年到1979年清華數學經歷了一個特殊的發展時期。1952年全國高校進行了院系調整，清華大學數學系併入了北京大學數學系及其它院校。由於工程教育的需要，清華大學設立了高等數學教研室，主要擔負全校數學基礎課的教學任務，當時教授只 留下趙訪熊一人。1958年創建了國內第一個工科大學的計算數學專業，至1966年高等數學與計算數學兩個教研組教職工總人數達到了117人，教授有趙訪熊、孌汝書、周華章。六十年代，趙訪熊在計算數學方面的研究工作以及其他同志的研究工作在國 內也有一定影響。這期間良好的數學基礎教學工作也為清華大學培養優秀科技人才發揮了很大的作用。
1979年清華大學數學系重建並更名為應用數學系，趙訪熊出任系主任。從此清華數學又迎來了一個新的發展時期。當時的應用 數學系下設五個教研室：計算數學教研室、離散數學教研室、微分方程教研室、概率統計教研室和數學分析教研室。1986年又 增設運籌學教研室。1981年，在剛剛復建兩年之後，清華大學應用數學系就憑著她的特色和實力獲得了計算數學學科的博士點。1984又獲得了應用數學博士點。進入八十年代之後，清華大學應用數學系的數學研究工作全面展開。每年的科研項目都保持在三十項左右。在應用微分方程的研究方面，以蕭樹鐵為首的課題組關於水滲流問題的研究在國內外處於領先地位，並有多項研究成果獲國家和省部級獎。在計算數學研究方面，有限元方法、數值代數、非線性方程組數值解法及科學計算軟件、並行算法等均有重要成果，並有多項研究成果獲國家和部委科技進步獎，在國內處於領先水平。
二十世紀90年代末，數學系又迎來了一個新的發展機遇。1999年系名更改為數學科學系，以更好的反映本系教學和研究對數學 科學的涵蓋。近年來，學校加大了對數學學科發展的投入，大大改善了辦公、教學、科研等硬件環境，良好的激勵機制創造了濃厚的學術氛圍，而從海內外引進的各學科領域的優秀人才也為清華數學的發展注入了新的活力。
經過幾代人的不斷努力，清華數學系已成為國內幾個最具實力的數學系之一。繼1981年獲得計算數學專業博士點，1984年獲得應用數學專業博士點，1998年獲得基礎數學專業博士點之後，2000年獲得數學一級學科博士學位授予權， 2011年獲得統計學一級學科博士學位授予權。
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