學院充分利用清華大學材料學科在國内外的良好學術聲譽，積極開展全方位的開放合作研究。目前已與國際一流的材料科學研究機構（麻省理工學院、加州大學伯克利分校、斯坦福大學、橡樹嶺國家實驗室、東京大學、新加坡國立大學、德國馬普所、劍橋大學、帝國理工大學、瑞士聯邦理工大學）以及國内衆多一流高校與科研院所建立了廣泛深入的合作關系。2011年科技部批準成立了清華大學功能材料國際聯合研究中心，為國際合作研究構建了較好的平台。

學院近年來瞄準國際前沿和熱點，力争做出有國際影響的基礎研究和應用基礎研究成果，形成有優勢的、特色鮮明的國際一流學科方向，與國際知名企業Toyota、Samsung、Mitsubishi、Boeing、Siemens、Toshiba、Kobe Steel、Caterpillar建立了長期穩定的合作關系。