清华大学化学系下设无机化学、有机化学、分析化学、物理化学、高分子化学与物理五个研究所,对应五个传统二级学科。此外还设有纳米与材料化学、化学生物学、有机电子学、理论化学和超分子化学五个交叉学科和一个实体的基础分子科学中心。化学系现有两个教育部重点实验室:“生命有机磷化学及化学生物学教育部重点实验室”和“有机光电子与分子工程教育部重点实验室”。
化学系的科研方向不仅涵盖了现代化学的各主要领域,而且也包括了21世纪化学发展的最新生长点。研究内容涉及:生命过程中的化学问题,复杂样品分析新方法与新仪器,有机光电子材料与器件,新型晶体功能材料,超分子自组装和纳米结构材料,分子药物的合成与中药复方的现代化学分析,导电高分子材料的合成与性能,以新能源及环境保护为目标的新催化系统等等。