台灣日治時期，1943年因太平洋戰爭爆發，日本為配合南進政策，於台北帝國大學建立了「工學部」，包含應用化學科等四科。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）為應用化學科館舍（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。1945年二次世界大戰日本戰敗臺灣收歸國民政府，年底，台北帝國大學改制為國立臺灣大學，應用化學科改制化學工程學系，本系學生人數漸增為每年約四十人，但課程及研究內容仍以應用化學為主。
1949年政府遷台後，本系羅致了不少化工專長的教授，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(目前稱化工一館)乃由錢思亮校長，沈熊慶化工系教授兼教務長、本系陳成慶教授等悉心規畫設立，並於1963年正式啟用，使本系之教學與研究有較充裕空間。
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。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。僑生人數之不斷增加，研究所之增設，旋即使化工館有不敷使用之感，為提高國內化工人才之水準，於1971年化工一館獲准擴建東西兩側，本系空間不足之困，暫獲解決。
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』，共約有十餘位教授參與，粉粒體技術實驗室之運作模式已成為國內共同實驗室之一個範例，並與工業界合作關係良好，對學術界及工業界多所貢獻。
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進行更多的研發及改良，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；後續為配合政策趨勢及回應時代產業需求，該中心於2018年更名為前瞻綠色材料高值化研究中心。
由於招生數與教師數逐年增加、研究領域日益多元、環安標準提升等多方因素下，1990年代後期，空間不足情況明顯，化工系校友們開始齊心設法協助母系籌建新館舍；經過多年醞釀，於2015年啟動館舍新建工程，2018年新大樓鄭江樓落成，2019年底正式啟用化工二館，本系半數實驗室及教師遷入鄭江樓北棟。化工二館設置3間適合辦理國際會議之演講廳，對於促進學術交流與提升國際競爭力大有裨益；而妥適規劃的空間，對於提升研究能量、師資增聘、產學合作、跨域協作等有長久正向影響。
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，本系自此朝向一系多所之目標邁進。2016年配合工學院培育具有整合性跨域能力的博士人才政策，協助設立「綠色永續材料與精密元件博士學位學程」；2021年與中央研究院化學所合辦「永續化學科技國際研究生博士學位學程(TIGP Program of Sustainable Chemical Science & Technology簡稱TIGP-SCST)」，以全英語博士國際學程吸引國際優秀學生來台，提升台灣科研競爭力。
本系自創系以來已超過八十年。經過師長持續地深耕努力，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。化工系專任教師人數維持在35~40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、光電與高分子材料科學、半導體與電池材料、AI理論計算與應用等重點研究領域，達國際領先水準。未來本系將秉持教學熱誠，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，以對於半導體產業、化學工業、國家及社會做出最大的回饋及貢獻。