先进内燃动力全国重点实验室的前身是内燃机燃烧学国家重点实验室，由天津大学原校长史绍熙院士创建，于1986年经国家计委批准开始建设，1989年建成并对外开放，是我国内燃机领域的第一个国家重点实验室。实验室面向国家“能源安全、绿色低碳、动力强国”的重大战略,秉持“顶天、立地”发展理念，坚持科技创新“四个面向”，开展高效内燃动力燃烧与排放、净零碳动力能源转化与利用、先进动力系统集成及智能化的应用基础和关键技术研究，产生了一系列标志性成果，2015年以来实验室作为第一完成单位获得国家级科技奖6项，被科技部评价具有“开拓和牵引”作用。
精密测试技术及仪器全国重点实验室围绕“制造强国”、“质量强国”国家战略，瞄准智能制造背景下不断增长的精密测量需求，开展高端装备数字化制造精密测量仪器及体系、极端服役多参数在线测量技术及仪器、仪器核心部件及近极限测量技术等研究，培育重大原始创新，提出数字化、网络化、智能化精密测量技术原创性新概念、新原理、新方法，构建完全自主的知识产权体系，将实验室建设成为具有重要工程背景和鲜明技术特色的精密测量高端仪器科学与技术策源地，形成持续创新能力。
化学工程联合国家重点实验室（天津大学）以反应与分离工程共性基础和方法、微化工技术和过程强化、化学产品工程为主要研究方向，开展多相体系表/界面传递与反应现象及过程、反应和传递过程调控、微尺度反应与传递过程规律、过程集成和强化、化工过程流场结构化、过程耦合机制、化学产品多尺度结构和构效关系及结构演化机理、以及化工过程系统优化及其安全和智能化理论和方法研究。
“水利工程智能建设与运维全国重点实验室”是在原有“水利工程仿真与安全国家重点实验室”基础上，依托天津大学组建，2023年3月获批建设。其前身“水利工程仿真与安全国家重点实验室”2011年批准建设，2018年评估结果为优秀。实验室核心技术在我国90%以上200m级的高坝工程中得到应用，在重大水利工程智能建设、高坝枢纽运行安全等方向形成明显优势和特色。实验室获国家科技奖励18项，其中主持二等奖8项，参与特等奖和一等奖各1项。
绿色合成与转化教育部重点实验室主要依托天津大学化学工艺学科而建立，实验室现有固定人员50人，流动人员36人，包括中国工程院院士1名，国家杰出青年基金获得者5人、优秀青年基金获得者4人、青年长江学者1人；拥有 2个科技部创新团队、1个教育部创新团队，已形成以院士、杰青等为学术带头人的结构合理的人才梯队。实验室在传承发展石油化工的基础上，瞄准与国民经济、社会发展及国家安全相关的重大科技问题，聚焦国际绿色化学发展的前沿，开展与能源、资源的高效转化与清洁利用相关的创新性应用基础研究，形成了优势显著、特色鲜明的三个研究方向。
光电信息技术教育部重点实验室(天津大学)是教育部首批建设的38个重点实验室之一。该实验室始建于上世纪90年代，依托于国家重点一级学科——天津大学光学工程学科。实验室拥有光学工程一级学科硕、博士学位授予权以及光电子与光子学技术二级学科硕、博士学位授予权，还设有光学工程博士后流动站。
天津大学智能电网教育部重点实验室是国内电气工程领域重要的研究实验基地，它依托我校电力系统及其自动化这一国家重点学科建设。实验室的前身是建设于上世纪五十年代的天津大学电力系统动态模拟实验室。经过半个多世纪的建设，已从原先单一的电力系统动态模拟实验室发展成面向智能电网发、输、变、配、用等各个环节的综合实验室。
本实验室依托天津大学“化学工程与技术”国家重点学科，始建于2007年，是国内最早开展系统生物工程和合成生物学的研究基地。聚焦生物医药、能源、生物基化学品合成等国家重大需求，聚焦世界科技前沿，以生物信息分析、合成生物学和生物过程工程为核心，模型模拟与实验相结合，定位在应用基础研究。形成了特色鲜明的研究方向：1）生物信息学与合成生物学，2）生物反应与代谢工程，3）生物分离工程，4）工业生物过程的系统分析与优化。是系统生物工程和合成生物学领域世界著名的研究机构之一，同时成为了高级人才培养的重要基地。
机构理论与装备设计教育部重点实验室依托天津大学机械设计及理论国家重点学科和机械工程博士学位授予权一级学科，面向国际学术前沿，围绕国家重大需求，以机构理论为核心，开展高端制造装备、海洋装备、医疗装备基础理论与关键技术研究，建设机构理论与装备设计领域的科学研究创新基地、高层次人才培养基地、国际交流与合作基地，成为机构理论与装备设计领域创新型、开放式、国际化的世界一流研究中心。
中低温热能高效利用教育部重点实验室（天津大学）于2012年1月批准筹建，实验室结合国家发展节能环保、新能源等新兴产业的重大需求，瞄准以地热能、太阳能及工业余热为主的中低温热能的科学前沿，以热科学为基础，交叉融合系统科学、材料科学及环境科学等学科，充分发挥天津大学动力工程及工程热物理学科在中低温热能领域中的科研优势和骨干作用，从能量收集、传递与转换以及应用的各个环节入手，研究中低温热能高效利用过程中的科学问题，为解决能量传递与转换过程中的效率、环境、经济成本等问题提供科学依据和新的技术途径。