實驗室于1986年經國家計委批準，1989年10月建成對外開放，是我國內燃機領域唯一學科類國家重點實驗室。實驗室以國家“能源、環境”戰略需求為目標，瞄準內燃動力學科國際前沿，依托天津大學動力機械及工程、力學、化學工程、自動控制等多學科交叉研究平臺，圍繞燃料、替代燃料與燃料燃燒基礎理論、內燃機燃燒過程及其優化控制，有害排放物的生成、環境效應及后處理，內燃機節能新技術與低碳動力裝置，以及動力機械結構強度、振動、噪聲及潤滑等問題，開展基礎理論、新技術創新以及填補國家空白的系統集成創新的研究，在我國內燃動力工程領域發揮著“開拓和牽引”作用。
精密測試技術及儀器國家重點實驗室于1989年經國家計委批準，在測試計量技術及儀器學科的基礎上，集中天津大學和清華大學“測試計量技術及儀器”、“精密儀器及機械”、“光學工程”三個學科優勢組建而成（儀器科學與技術、光學工程為首批一級國家重點學科）。實驗室于1995年建成并正式對外開放。在2007年、2012年和2017年信息領域國家重點實驗室評估中連續三次獲得優秀成績。現任實驗室主任為邾繼貴教授，學術委員會主任為張廣軍院士。
化學工程聯合國家重點實驗室1987年被批準建設，1991年建成并開放運行。實驗室依托清華大學、天津大學、華東理工大學和浙江大學，強強聯合，優勢互補，整合優勢學科方向，開展分工和協作，優化學科資源調配，聚焦學科和行業發展的重大問題，促進學科協同發展，構成了我國唯一定位于化學工程一級學科的國家重點實驗室。實驗室面向事關國計民生、產業核心競爭力、整體自主創新能力和國家安全等國家重大戰略需求，定位于化工生產中的新過程、新工藝、新流程、新設備研究，滿足化工生產對高質化、綠色化、智能化和本質安全的需求。
實驗室依托天津大學，擁有水利工程、船舶與海洋工程兩個一級學科博士點，水利工程學科具有悠久歷史，創辦于1933年，并在當時創建了中國第一水工試驗所，水利工程于2007年被評為（一級）首批國家重點學科，水利工程及船舶與海洋工程皆為“211工程”和“985”工程重點建設學科。
綠色合成與轉化教育部重點實驗室主要依托天津大學化學工藝學科而建立，實驗室現有固定人員50人，流動人員36人，包括中國工程院院士1名，國家杰出青年基金獲得者5人、優秀青年基金獲得者4人、青年長江學者1人；擁有 2個科技部創新團隊、1個教育部創新團隊，已形成以院士、杰青等為學術帶頭人的結構合理的人才梯隊。實驗室在傳承發展石油化工的基礎上，瞄準與國民經濟、社會發展及國家安全相關的重大科技問題，聚焦國際綠色化學發展的前沿，開展與能源、資源的高效轉化與清潔利用相關的創新性應用基礎研究，形成了優勢顯著、特色鮮明的三個研究方向。
光電信息技術教育部重點實驗室
光電信息技術教育部重點實驗室(天津大學)是教育部首批建設的38個重點實驗室之一。該實驗室始建于上世紀90年代，依托于國家重點一級學科——天津大學光學工程學科。實驗室擁有光學工程一級學科碩、博士學位授予權以及光電子與光子學技術二級學科碩、博士學位授予權，還設有光學工程博士后流動站。
智能電網教育部重點實驗室
天津大學智能電網教育部重點實驗室是國內電氣工程領域重要的研究實驗基地，它依托我校電力系統及其自動化這一國家重點學科建設。實驗室的前身是建設于上世紀五十年代的天津大學電力系統動態模擬實驗室。經過半個多世紀的建設，已從原先單一的電力系統動態模擬實驗室發展成面向智能電網發、輸、變、配、用等各個環節的綜合實驗室。
系統生物工程教育部重點實驗室
本實驗室依托天津大學“化學工程與技術”國家重點學科，始建于2007年，是國內最早開展系統生物工程和合成生物學的研究基地。聚焦生物醫藥、能源、生物基化學品合成等國家重大需求，聚焦世界科技前沿，以生物信息分析、合成生物學和生物過程工程為核心，模型模擬與實驗相結合，定位在應用基礎研究。形成了特色鮮明的研究方向：1）生物信息學與合成生物學，2）生物反應與代謝工程，3）生物分離工程，4）工業生物過程的系統分析與優化。是系統生物工程和合成生物學領域世界著名的研究機構之一，同時成為了高級人才培養的重要基地。
機構理論與裝備設計教育部重點實驗室
機構理論與裝備設計教育部重點實驗室依托天津大學機械設計及理論國家重點學科和機械工程博士學位授予權一級學科，面向國際學術前沿，圍繞國家重大需求，以機構理論為核心，開展高端制造裝備、海洋裝備、醫療裝備基礎理論與關鍵技術研究，建設機構理論與裝備設計領域的科學研究創新基地、高層次人才培養基地、國際交流與合作基地，成為機構理論與裝備設計領域創新型、開放式、國際化的世界一流研究中心。
中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室
中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室（天津大學）于2012年1月批準籌建，實驗室結合國家發展節能環保、新能源等新興產業的重大需求，瞄準以地熱能、太陽能及工業余熱為主的中低溫熱能的科學前沿，以熱科學為基礎，交叉融合系統科學、材料科學及環境科學等學科，充分發揮天津大學動力工程及工程熱物理學科在中低溫熱能領域中的科研優勢和骨干作用，從能量收集、傳遞與轉換以及應用的各個環節入手，研究中低溫熱能高效利用過程中的科學問題，為解決能量傳遞與轉換過程中的效率、環境、經濟成本等問題提供科學依據和新的技術途徑。
先進陶瓷與加工技術教育部重點實驗室
天津大學先進陶瓷與加工技術教育部重點實驗室是1993年經原國家教育委員會批準建立的國內首批部門開放實驗室之一。實驗室以先進陶瓷與加工技術緊密結合為特色，聚焦國家重大戰略需求和學科發展前沿，致力于突破國內外先進陶瓷與加工領域關鍵材料與核心技術，多學交叉融合、前沿技術與軍工應用相結合，特色鮮明，一批創新成果達到國內外先進水平，成為我國陶瓷領域推動國防軍工建設、服務行業和軍工發展、發展高水平學術成果、培養高層次創新人才的重要基地，在2018年材料領域教育部重點實驗室評估中獲得優秀。
濱海土木工程結構與安全教育部重點實驗室
?濱海土木工程結構與安全教育部重點實驗室于2009年12月由教育部批準立項建設，2014年1月通過驗收。實驗室依托于天津大學土木工程學科，是天津大學“985工程”、“211工程”、“雙一流”重點建設的實驗室之一。實驗室立足濱海地區，面向我國大型土木工程建設的重大需求，瞄準土木工程學科的國際研究前沿，開展濱海土木工程結構與安全領域的創新研究，形成了軟土地基與地下工程研究，混凝土結構、材料及其耐久性研究，鋼結構、空...
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