Το Τμήμα ιδρύθηκε το 1985 με το όνομα «Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Βιομηχανίας», ως ένα από τα τρία ακαδημαϊκά Τμήματα της νεοϊδρυθείσας τότε Σχολής Επιστημών Παραγωγής του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας (Π.Δ. 302/31-5-1985), η οποία μετονομάστηκε το 2001 σε Πολυτεχνική Σχολή. Το 2009, το Τμήμα μετονομάσθηκε σε «Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών» (Π.Δ. 26/16-3-2009).
Οι πρώτοι φοιτητές στο Τμήμα εισήχθησαν κατά το ακαδημαϊκό 1990-1991, ενώ το 1992 εξελέγησαν τα τρία πρώτα μέλη ΔΕΠ. Τα πρώτα Διπλώματα Μηχανολόγου Μηχανικού Βιομηχανίας, με όλα τα δικαιώματα του Μηχανολόγου Μηχανικού, απονεμήθηκαν από το Τμήμα τον Ιούλιο του 1995. Το Δίπλωμα Μηχανολόγου Μηχανικού είναι ένας ενιαίος προπτυχιακός και πρώτος μεταπτυχιακός τίτλος σπουδών (ισότιμος με τον τίτλο «Bachelor of Science + Master of Science»), που αποκτάται ύστερα από πενταετείς σπουδές πλήρους φοίτησης. Για την ολοκλήρωση των σπουδών απαιτείται η εκπόνηση και η εξέταση της Διπλωματικής Εργασίας (αντίστοιχης του «Master’s Thesis»). Το 1996 συστάθηκαν οι τρεις Τομείς που λειτουργούν μέχρι και σήμερα στο Τμήμα και είναι (Υ.Α. Β1/58/21-6-1996): (α) Τομέας Ενέργειας, Βιομηχανικών Διεργασιών και Αντιρρυπαντικής Τεχνολογίας, (β) Τομέας Μηχανικής, Υλικών και Κατεργασιών, και (γ) Τομέας Οργάνωσης Παραγωγής και Βιομηχανικής Διοίκησης.
Μέχρι και το ακαδημαϊκό έτος 2011-2012 ο αριθμός των εισακτέων φοιτητών ανερχόταν στους 80-90, και έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία χρόνια. Περισσότεροι από 800 Διπλωματούχοι Μηχανολόγοι Μηχανικοί έχουν αποφοιτήσει μέχρι σήμερα από το Τμήμα. Στο πρόγραμμα σπουδών (επιπέδου Διπλώματος) του Τμήματος έχουν γίνει δύο σημαντικές αναμορφώσεις, που χρηματοδοτήθηκαν από τα προγράμματα ΕΠΕΑΕΚ Ι (1997-2000) και ΕΠΕΑΚ ΙΙ (2003-2008). Στόχος των αναμορφώσεων ήταν η βελτίωση και ο εκσυγχρονισμός της δομής του και του περιεχομένου των μαθημάτων. Την άνοιξη του 2009 ολοκληρώθηκε η πρώτη Έκθεση Εσωτερικής Αξιολόγησης του Τμήματος, η οποία εκπονήθηκε βάσει προτύπου της Αρχής Διασφάλισης Ποιότητας στην Ανώτατη Εκπαίδευση (ΑΔΙΠ). Αναμόρφωση του προγράμματος σπουδών έγινε και ύστερα από την Έκθεση της Εξωτερικής Αξιολόγησης με τη μείωση των μαθημάτων επιλογής και της επικέντρωσης στα βασικά και στα σύγχρονα θέματα της Μηχανολογίας.
Το 1996 το Τμήμα απένειμε τον πρώτο τίτλο Επίτιμου Διδάκτορα στον Καθηγητή του Πανεπιστημίου της Στουτγάρδης, John Argyris, ενός εκ των δημιουργών της Μεθόδου Πεπερασμένων Στοιχείων, και το 1997 απένειμε το πρώτο Διδακτορικό Δίπλωμα σε όλο το νεοσύστατο τότε Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας.
Κατά το ακαδημαϊκό έτος 1998-1999 ξεκίνησε να λειτουργεί στο Τμήμα οργανωμένο Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (ΠΜΣ), για την ακρίβεια «Πρόγραμμα Μεταδιπλωματικών Σπουδών», το οποίο χρηματοδοτήθηκε αρχικά από τα προγράμματα ΕΠΕΑΕΚ Ι (1997-2000) και ΕΠΕΑΚ ΙΙ (2000-2003) και σήμερα λειτουργεί με αυτοχρηματοδότηση. Το ΠΜΣ έχει αντικείμενο την παροχή μεταπτυχιακών σπουδών δευτέρου επιπέδου σε γνωστικές περιοχές της Μηχανολογίας, προσφέροντας στους φοιτητές τη δυνατότητα παρακολούθησης μαθημάτων εμβάθυνσης και εκπόνησης έρευνας, που οδηγούν στην απόκτηση Μεταπτυχιακού Διπλώματος Ειδίκευσης (ΜΔΕ) (δευτέρου επιπέδου μεταπτυχιακός τίτλος σπουδών ειδίκευσης που ακολουθεί το Δίπλωμα) και Διδακτορικού Διπλώματος (ΔΔ). Έως σήμερα, το Τμήμα έχει απονείμει 354 ΜΔΕ και 88 ΔΔ.
Σήμερα, το Τμήμα είναι ένα δυναμικά αναπτυσσόμενο, αλλά και ώριμο πλέον, Τμήμα, αφού λειτουργεί με επιτυχία επί 40 έτη. Στο Τμήμα υπηρετούν σήμερα 20 μέλη ΔΕΠ με τη διοικητική, εκπαιδευτική και τεχνική υποστήριξη να παρέχεται από 3 μέλη Εργαστηριακού Διδακτικού Προσωπικού (Ε.ΔΙ.Π), 9 μέλη διοικητικού προσωπικού και 3 μέλη Ειδικού Τεχνικού και Εργαστηριακού Προσωπικού (ΕΤΕΠ). Επίσης, στο Τμήμα εργάζεται αξιόλογος αριθμός επιστημονικών συνεργατών και υποψηφίων διδακτόρων. Το Τμήμα στεγάζεται σε ένα από τα κτίρια του πρώην εργοστασίου Παπαρήγα στο Πεδίον Άρεως, το οποίο διαμορφώθηκε κατάλληλα. Επίσης, χρησιμοποιεί επιπλέον αίθουσες διδασκαλίας και χώρους στα προκατασκευασμένα κτίρια της Πολυτεχνικής Σχολής που εφάπτονται της Ζώνης Λιμένος. Το Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας έχει ξεκινήσει εδώ και μία δεκαετία τη διαδικασία για την ανέγερση νέων κτιριακών εγκαταστάσεων του Τμήματος, η οποία όμως ανακόπηκε λόγω της οικονομικής κρίσης. Οι νέες κτιριακές εγκαταστάσεις θα επιτρέψουν αναμφίβολα την περαιτέρω ανάπτυξη των εκπαιδευτικών και ερευνητικών δραστηριοτήτων του Τμήματος.