上个世纪40 年代，北京大学工学院机械系在工学院院长马大猷教授等的支持下，由吴大观等开设了航空发动机设计、发动机齿轮设计、机械原理和工程画（机械制图）等航空航天类课程。

1999年4月，北京大学和北京航空航天大学贯彻“共建、调整、合作、合并”的高等教育体制改革方针，充分发挥北大文理学科和北航工程技术学科的优势，成立了北京大学工程研究院。
2004年，在黄琳院士的主持下，北京大学航空航天动力学与控制实验室正式成立。
2005年，北京大学工学院重建。
2006年，原力学与工程科学系并入工学院，更名为力学与空天技术系，实现了工学院的发展壮大。
2008年，北京大学设立航空航天工程专业。
2008年 4月18日上午，空中客车(Airbus)研究合作部部长Dale KING来访北大。双方对各自的成就给予了很高的评价，并就北大与空客的合作交换了意见。同年，北京大学工学院与中国空间技术研究院（五院）总装与环境工程部双方同意筹建总环部和北大工学院联合实验室
2009年，北京大学开始招收本科学生。
2010年5月，北京大学工学院航空航天工程系成立。
2011年4月30日,航空航天工程系发展战略研讨会在北京密云水库宾馆举行。与会者围绕航空航天工程系的五年发展战略规划，从教学、科研两个角度展开了热烈的讨论，并提出了建设性的意见。 
2012年6月，北京大学首批航空航天工程专业学生毕业，这是北京大学工学院建立航空航天工程专业以来的首批本科毕业生。本届航空航天工程专业本科毕业生共有10名，这也是工学院航空航天工程系成立以来的首届本科毕业生。 本届毕业生有4名本校直博、1名本校硕、1名外校硕、2名出国、2名工作。
2012年12月17日，中共中央委员、中国航天科工集团公司总经理许达哲率代表团访问北京大学，并与北京大学签署校企战略合作协议。
2013年6月，航空航天工程系本科教学研讨会顺利召开，会上通报了航空航天工程二级学科（博士学位点）申报工作情况，目前学科筹建工作进展顺利，已经接受了专家组成员的评议，专家组评议结论是“一致同意北京大学自主设置目录外航空航天工程二级学科点”。
2013年12月19日，中国科学院公布2013年新增院士名单，我系陈十一教授、方岱宁教授当选中国科学院院士。