本系以日據時代台北帝國大學工學部應用化學科之形態，創設於1943年。當時因太平洋戰爭方熾，無力建館，校方乃撥本校最具歷史之七號館（木造樓）為其館舍（該館為台北帝大前身─台北高等農專之行政大樓），同時沿用日本大學之體制，設有燃料化學、有機工業化學、電氣化學、無機工業化學及分析化學等五個講座。光復後，改制為國立台灣大學工學院化學工程學系，學生人數漸增為每年四十人左右，但課程及研究內容仍承繼應用化學之本質。
1949年，政府遷台後，本系羅致了不少化工方面的教授，使本系之教學及研究由應用化學之體系，逐漸蛻變為名符其實的化學工程學系。至1952年，班次增為兩班，並於1954年起招收僑生，每年新生人數亦超過了一百人。由於學生人數遞增，館舍老舊，且空間不敷使用，新化工館乃由錢思亮校長，沈熊慶、陳成慶等教授悉心規畫，並於1963年正式啟用，使本系之教學與研究有較充裕空間。1970 年，本系曾於大學部試行分組教學，共設高分子化工組及一般化工組，但三年後又再度合併。為提高國內化工人才之水準，本系於1965年創設研究所，招收碩士班學生，並於1970年設立博士班，至此本系已建立完整之教學體制。研究所之增設，僑生人數之不斷增加，旋即使化工館有不敷使用之感，於1971年，本系獲准擴建東西兩側，本系空間不足之困，暫獲解決。化工系目前使用空間約1,500坪（化工館 1,400坪及工綜館100坪），因教師與學生人數眾多，空間可謂嚴重不足，許多研究室及實驗室皆十分擁擠。最近化工系籌建新館，或申請使用綜合教室空間，並於工綜館二期工程中劃分部分空間，使化工系面積可達3,500坪，將可解決空間不足之困境。
1990年，化工系以推廣台灣有關粉粒體技術之研究與教育為宗旨，集中了全系粉粒體技術相關之儀器，創設了共同實驗室型態之『粉粒體技術實驗室』，目前共約有十餘位教授參與，粉粒體技術實驗室之運作已成為國內重要實驗室之一個範例，並與工業界合作關係良好，對學術界及工業界多所貢獻，化工系並於2001年以粉粒體技術與界面科學為主題，向教育部提出追求卓越研究計畫。
1997年，化工系規劃成立石油化學工業研究中心，為隸屬於工學院之研究單位。石油化學工業是化學工業的主幹，在我國的經濟發展上，擔負相當重要的任務。對於石油化學工業製程作更多的研發及改良，盡量的節約能源，增加生產效率，並開發清潔製程，在生產流程中避免污染及廢棄物的產生，對促進工業升級以及工業建設與生態保護的平衡，都具重要及積極的意義。2001年3月，由化工系提出申請之高分子科學與工程學研究所獲教育部核准成立，化工系自此朝向一系多所之目標邁進。
台大化工系自創系以來，已超過六十年。經過一甲子的努力，化工系在學術研究上奠定了良好的基礎，在國內外都獲得良好聲譽。目前化工系共有專任教師30名，各教授在其特色研究領域中，專心鑽研，並且互相整合，發展重點研究領域，已經達到國際上的優良水準。本系的研究特色分為粉粒體技術、界面科學、分離技術、生物技術與生物工程、生化與生醫工程、系統程序工程、光電化學工程、污染防治、高分子科學和半導體電子材料等，大多數教授的研究工作都與這幾個主軸有關。未來化工系將秉持教學熱誠，繼續培養化學工程之人才，並努力於學術上之研究，與工業界繼續良好合作關係，以對於化學工業、國家及社會做出最大的回饋及貢獻，方不負整個國家社會的殷殷期盼與厚望。