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1958年9月20日，中国科学技术大学成立，全校设置12个系，系当时的名称是物理热工系，由我国著名的老科学家、中国科学院动力研究室研究员吴仲华担任主任。
1960年4月3日，"物理热工系"更名为"工程热物理系"，下设燃气轮机及喷气发动机、原子能动力和工程热物理等专业。
1961年5月9日，根据中央"调整、巩固、充实、提高"的方针，报经中国科学院、教育部同意，学校将原有的13个系46个专业合并为12个系30个专业，工程热物理系与力学和力学工程系合并为近代力学系，工程热物理系转为工程热物理专业，主要培养喷气发动机热物理方面的科研人员。
1970年随学校下迁到合肥市。1981年11月25日，国务院批准中国科学技术大学为首批博士和硕士学位授予单位，工程热物理成为学校首批有硕士学位授予权的24个学科、专业之一。
1983年3月23日，经中国科学院批准在学校恢复工程热物理系。吴仲华任系主任，葛新石副教授任工程热物理系第一副主任。1984年11月23日，葛新石任工程热物理系主任。1985年2月28日，王永堂任工程热物理系党总支书记。
1991年6月29日，经人事部、全国博士后管理委员会批准，在工程热物理系设动力工程及工程热物理学科的博士后流动站。1992年6月15日，学校遴选出9个首批校级重点学科，系工程热物理学科是其中之一。
12月22日，“工程热物理系”更名为“热科学和能源工程系”。除继续培养航空航天领域的专业技术人员外，也培养从事新能源和低温与制冷技术方面的研究人员。
2002年1月，系工程热物理学科被评为安徽省重点学科。2003年10月，经国务院学位委员会批准，系成为动力工程及工程热物理的一级学科博士学位授权点。
系拥有国家一级学科点及博士后流动站(动力工程及工程热物理学科)，在三个专业方向上具有博士学位授予权，分别为工程热物理专业(1986)、热能工程(2003)、制冷及低温工程(2003)。
系与国际及港澳地区高校有着密切的合作关系;与中国科学院所属广州能源研究所、工程热物理所、上海技术物理研究所以及核能安全技术研究所在学科建设和本科生及研究生培养等方面进行了卓有成效的合作，实现了资源共享和优势互补。
