機械理工学専攻では、機械システムの多様化・高機能化および機械工学分野の細分化・専門化に対応すると同時に、これらを統合して新しい機械やシステムをまとめ上げることができる機械技術者を育成する。
この多様化しつつある分野の学問的発展に寄与するために、機械理工学専攻では3分野(機械科学分野、機械情報システム工学分野、電子機械工学分野)に組織を分け、
それぞれの分野で専門的な内容を深めるとともに相互に影響を与えながら研究教育を行っている。
博士前期課程では、発展しつつある機械工学を習得し、これを中心とする広範な工学的手法を駆使して、目標を効果的に達成するプロジェクトリーダーとしての能力のある人材を養成する。
また、前期課程学生向けの日米協働教育プログラム(JUACEP)などを通して国際的に活躍するための基礎を育む。
博士課程後期課程では、発展する社会の将来を的確に展望し、機械工学から創造的に発展する工学を創り出す能力とともに、機械工学の学問体系を確立・集大成し、高度の指導能力を有する人材を養成する。また、本専攻における教育を通じ、
豊かな人間性と高い倫理観をもった人材を育成する。さらに、G-COEプログラムをはじめとする国際的教育プログラムを数多く提供し、世界的にリーダーとして活躍するための能力を養う。
機械科学分野は、材料、流れ、熱といった巨視的な機械特性の発現を原子・分子レベルの物理現象から捉えることによって、 新しい機能をもった材料および構造の創製、精密加工技術の開発、熱流体現象のメカニズム解明と新しいエネルギ変換方法の開発などを目的としている。 「先端材料・創製工学」と「環境・エネルギー工学」の2大講座が属しており、次世代の機械システムの実現に必要な機械材料強度学、超精密工学、 生産プロセス工学、固体力学、流体機械工学、統計流体工学、伝熱・燃焼工学などの基盤科学技術の研究と教育をめざしている。
機械情報システム工学分野は、人間とのかかわりの中から機械・エレクトロニクス・コンピュータをシステムと捉えて、新しい機能を創生するメカトロニクス技術や、バイオメカニクスのように従来の機械工学の範疇では対応できない学問領域の体系化、ナノテクノロジー技術の開発などを目的としている。
「生体力学・人間機械工学」と「マイクロ・ナノ機械システム」の2大講座が属し、バイオメカ二クス、福祉工学、ヒューマンシステム工学などの健康・安全・福祉等に関連した研究と教育、マイクロ制御工学、微細加工システム、生体機械工学、分子熱流体工学などのマイクロ・ナノ機械システムの実現に必要な要素技術と情報システム統合に関連した研究と教育をめざしている。