清華大學原子科學院創立於1973年，當時設有「原子科學研究所」、「核子工程系」、「核子工程研究所」，為全國唯一兼備教學與研究的核能科技之教育機構。1956年，原子科學研究所(原科所)為清華在台復校時，率先設立且僅有的研究所，1964年，核工系繼之成立，與數學系並列為在台復校最早成立的兩個科系。自1970年至1975年，原科所曾短暫停止招生，而於1975年恢復招收碩士班學生，博士班則於1987年開始招生，並於1992年新增大學部，是為原子科學系。而後，為確切反應該系之教學與研究內涵，原子科學系於2006年更名為生醫工程與環境科學系，2017成立「分析與環境科學研究所」。1977年新成立輻射生物所碩士班，1989年繼之成立博士班，1998年該所併入生命科學院。

       核子工程研究所於1970年開設碩士班課程，並於1981年設立博士班。同年，大學部開始雙班招生。之後，核工系與核工所合併為「核子工程系」。90年代中期，在社會與政治的快速演化下，興建核四廠的輿論與反核聲浪高漲，在在衝擊院內同仁士氣，也導致招收新生的困難，有鑑於此，核工系於1995年更名為「核子工程與工程物理學系」，研究與教學的內涵也擴充至工程物理領域。1997年，該系進一步更名為「工程與系統科學系」。2005年，該系在中央研究院與物理所的共同合作下，成立「台灣國際研究生之奈米科技學程」，主要招收國外學生進行博士研究；此外，2008年工科系也與本校物理系及國家同步輻射研究中心合作，設立先進光源學程，招收碩博士班學生(2022年停招)。為滿足國內核能人才的需求，以及全世界核能的復興熱潮，核子工程與科學研究所(核工所)於2007年恢復成立碩士班，而博士班也獲教育部核定於2008年開始招生。

       自90年代中期，核子科學與科技的教學研究一直是原科院的主要目標，核工系主要研究領域為核電廠與系統科學，原科系則強調保健物理與放射化學，輻生所則在輻射生物研究上多所貢獻。一直以來，原科院專注於核能科學與科技的發展。然而，在1997年核工系更名後，也重新調整教研目標，使系所得以保持核工的核心領域，也能擴展至奈米系統、微機電系統、電漿科學與工程系統科學等領域，樹立機、電、材及工程物理等跨領域、多元化教學研究的特殊性。醫環系亦調整其核心領域，除傳統的核電廠與輻射防護的發展外，也將保健物理和放射化學加入生醫光電、醫學物理與環境科學中。物理、化學、生物上的跨領域教育，為該系學士班課程之主要特色。

       為培育具備能源開發、綠色科技和環境生態與健康等跨領域的高度學識基礎與現代科技理念之環境專長碩博士生，本院連結目前清華各系所環境領域專長的師資與資源，於108學年度成立「分析與環境科學研究所」。分環所以環境永續為目標，「分析化學」、「生態與健康」和「綠色科技」等三大領域為研究與教學發展的主軸，同時與國家衛生研究院、環檢所、政府機關進行計畫合作，積極投入教學與研究量能。並支援「台聯大系統環境科技博士學位學程」招收外籍學生，培育分析化學與環境科技並具國際視野及競爭力之科技專業人才。

       「原子科學院學士班」成立於2009年，為雙專長設計的科系，第一專長整合原科院內各系所之「能源與環境」核心課程，其中「能源課程」以低碳綠色能源如核能、太陽能電池、氫能為核心，「環境教育」則注重化學科學基礎，並強調永續環境相關課題。第二專長可依學生的性向與志趣或與第一專長之結合性，任選本校其他系所之核心課程，共有 10個學院 40 個領域可供選擇。

        原子科學院與原子科學技術發展中心息息相關。原子能科技的主要設備與技術人力均歸原子科學技術發展中心所轄，大型原子能科技設施包括2MW清華水池式反應器、范氏加速器、串級加速器、碘同位素製造設施、30000居里鈷照射場、人員劑量計系統等。原科中心目前有2位博士級研究人員、12位博士級技術人員以及其他技術人員19位。原科中心人力及設施以往歸屬原子科學研究所，自1984年始從原子科學研究所獨立出來，定位為校級編制內中心。93年以前，中心主任由原子科學院院長兼任，1993年後原科中心主任由校長另聘，在行政系統上歸屬學校研究發展處管轄，屬於二級單位，而中心內四個組，即反應器組、同位素組、保健物理組和儀器組則為三級單位。中心主任和各組組長以往由原科院教授兼任，近年來。部份組長已改由原科中心博士研究人員擔任。2007年起，教育部以二級單位不能設組，而改為研究群；原科中心主任由校長任命。「核輻委員會」由原科院院長擔任召集人，原科中心主任擔任執行秘書。

       自原科院畢業的學生，不僅是國內原子能領域之領導人才，也是其他領域的骨幹人力，如原子能委員會主委、核能研究所所長、核能電廠廠長皆曾由原科院校友擔任。此外，1986諾貝爾化學獎得主暨中央研究院前院長李遠哲博士、本校前校長陳文村教授與台電董事長陳貴明先生，皆是原科院的早期畢業生，更有三位校友亦受選為中研院院士。原科院校友也在國內外著名大學之物理、電機、機械、材料、工業工程及經濟系等擔任教授。