清华的经费问题得以缓解，梅贻琦的既定计划随之有了实现的可能。备受政府当局和师生期待，由梅贻琦一手促成、组建的工学院，则属计划的重中之重。在梅贻琦的直接指挥、督促下，各项建设、实验器材订购及相关人才聘请，齐头并进，进展迅速，社会各界为之瞩目。
1933年3月3日，梅贻琦辞卸工学院代院长之职，正式聘请顾毓琇为院长。自此，工学院进入了清华历史上堪称神速发展的“黄金时代”。
至卢沟桥事变前，清华工学院共分三系六组，即土木系、机械系、电机系，三系教师绝大多数为留美的“海龟”，所开课程与教学方法都是仿照美国工科一流大学设置的，同时也非常注重发展当时世界先进的工程技术，如水利、电讯、航空等，为以后清华工学院快速发展并跻身世界一流打下了基础。
最让政府当局另眼相看的航空工程组，得到了蒋介石的高度重视和国家航空委员会的得力资助，发展最为迅速，效率更是惊人。按《清华大学校史稿》记述：工学院组建初期，各系花了较大力量建立与扩充实验室，共建成实验室十四个及机械系金工方面的实习工场四个，实验设备属世界一流，其中土木系的水力实验室仿照德国大学类似实验室建造，设备也多来自德国，被称为“中国第一水工试验所”，其特点是规模大、设备充实，高出当时美国大学的一般水平。更为难得的是，整个实验室乃是本系教师自己设计的两层楼房高度的建筑，有地下水库一座，可储水一万立方英尺；另有高架水库一座，可储水一千立方英尺，还有户外水槽一道，槽旁安置有钢轨及电车，可作舰艇模型试验、大型河工模型试验及校正流量计之用。室内水力机械多属当时最新式设备，有水轮池及水轮试验台，有十马力冲动水轮机一具、各式反动水轮机五具……其庞大壮观的气势，令人惊叹。所有这些用大把大把美金建成的实验室与购买的设备，绝不是搞花架子办展览，或搞杂技艺术表演，而是出于教学的迫切需要，更是为开展科学研究，为病弱衰颓的老大中华尽快步上现代化轨道而设立。
与土木系楼堂馆所和先进设备相比，机械工程学系更加壮观气派。因教学及科学研究需要，机械系建有机械工程馆、发电厂、航空工程馆、飞机实验室以及金、木、煅、铸工场。机械工程馆内又专设热力工程实验室，内部设备包括蒸汽机、汽轮机、柴油机、机车及汽车等，设备几乎全部购自英、美和德国，且都在1934年前后购齐并安装完毕，其先进程度为世界之最，堪与欧美各著名大学任何一家机械实验室设备匹敌。
航空馆之下层安装有回气式航空风洞，飞机实验室有德制双座单翼教练机及双翼飞机各一架，二机均供学生装拆修理及做局部的设计观摩之用，另有本系教师、技工自行设计制造的滑翔机一架，供教学之用。
当此之时，最受外界瞩目的科技成果，乃航空工程组王士倬教授主持设计的最新回旋式风洞。1935年，经美国航空专家、加州理工学院古根海姆航空实验室主任冯·卡门博士向梅贻琦写信推荐，机械系聘请毕业于美国马萨诸塞州理工学院，时在古根海姆航空实验室为冯之助手的华敦德博士担任航空讲座，加强了航空工程组的研究力量，并在航空组全体教师与学生协同努力下，设计出了一个更大的十五英尺口径的航空风洞。
国民政府军事委员会出于军事、政治的迫切需要，对此研究和设计高度关注并大力支持，先后拨款共23万美元对风洞更改装配，便于需要时扩大至二十英尺口径的大型风洞。设计完成后，由清华机械系负责主持建造，并派员前往江西南昌择定地点，于1937年初开始兴建。
当时蒋介石在南昌秘密组织训练了一支新型空军，还建了一个空军工厂，只是这支空军的骨干设备都是外国制造的飞机，多半购自美国或意大利，运到中国后，因“水土不服”，故障不断。为适应中国军事以及即将全面展开的抗日战争，蒋介石通过航空委员会请梅贻琦协作，由清华工学院自行设计制造飞机，原料、配件等就地取材，既经济又便于空军官兵实际使用——此项行动被列为国民政府军事委员会的绝密计划。
梅贻琦受命后，自知使命特殊，任务重大，特别邀请了被誉为“航空航天时代的科学奇才”，后来成为钱伟长、钱学森、郭永怀等中国科学家导师的美国航空专家冯·卡门博士亲自来华商谈，并乘专机前往南昌做现场视察、指导。
创设较晚的电机工程系，先是借土木工程馆一隅开课建系，自美、英、德等国购置世界一流的仪器设备，动工兴建电机工程馆，至1935年各实验室相继装配完成。至此，整个清华工学院已初具规模，其仪器设备与教学阵营已达到亚洲一流、世界先进的水平。
当工学院四馆于1935年4月28日在清华校庆日落成并举行典礼时，所邀嘉宾无不为眼前的馆室与仪器设备，以及校长梅贻琦显示的执政气魄与办事能力所震撼，李书华钦佩之余不禁慨叹道：“以具有四十年历史的北洋工学院，与现在的清华大学工学院相较，不啻天渊之别……”
清华校友许世英许多年后仍慨然赞曰：“梅校长真是一位学工程的，他‘讷于言而敏于行’，只知苦干、实干，不空言、求虚名。孟子说：‘声闻过情，君子耻之。’校长的声闻并不过情……记得民国二十年冬天校长就职的那一天，校长对同学只简单勉励几句而已，不曾开出一张不一定能兑现的支票。”
回溯1931年12月3日那个天冷气寒的上午，梅贻琦于清华大礼堂就职演讲，特别提到“办学校，特别是办大学，应有两种目的：一是研究学术，二是造就人材。清华的经济和环境，很可以实现这两种目的，所以我们要向这方面努力”。这一教育理想，主导着梅贻琦毕生办学的方向和实践，无论是在北平的清华，或是在抗日战争时期的西南联大，或是后来在台湾新竹创办“清华”原子科学研究所，目的皆是围绕这一核心展开。
要实现上述目的，“必须有两个必备的条件，其一是设备，其二是教授”。如今世界一流的设备已安装于清华园楼堂馆室，所急需的自是聘请一流人才从事教学与研究，即梅贻琦所倡导的“一个大学之所以为大学，全在于有没有好教授”的理念。
学生智识与道德修养，都需要有好的教授指导，但“这样的好教授，决不是一朝一夕所可罗致的”。因而，自梅贻琦长校之日起，便开始“随时随地留意延揽”。到了第二年，即1932年9月新学年开学的时候，聘请的一流教授进入清华大门者已为数不少，故梅贻琦在新学年开学典礼讲话中，再度提到了他去年宣誓就职时提出、后被广为传颂的“大师说”，并强调：
“凡一校精神所在，不仅仅在建筑设备方面的增加，而在教授的素质。本校得有请好教授的机会，故能多聘好教授来校。这是非常值得庆幸的事。……凡能领学生做学问的教授，必能指导学生如何做人，因为求学与做人是两相关联的。凡能真诚努力做学问的，他们做人亦必不取巧，不偷懒，不作伪，故其学问事业终有成就。”
在此后的几年里，清华评议会聘任委员会在梅贻琦的主持下，相继延聘了一大批学贯中西的知名学者，教授阵营在全国已名列前茅，原有的文学院、理学院、法学院得以充分发展，而梅贻琦一手主持新建的工学院，后来居上，一跃成为全国翘楚。除了前面提及的冯·卡门、华敦德等世界一流专家学者被聘往清华现场视察、指导外，1935年秋，美国最卓越的数学家之一、建立了控制论科学的马萨诸塞州理工学院诺伯特·维纳博士，作为清华电机工程系邀请的客座教授，偕夫人抵清华讲学。次年春，由熊庆来教授任系主任的清华数学系聘请法国数学家雅克·阿达玛教授为客座教授，来华讲学。于是，上述两位蜚声国际的大学者，得以在1936年的春天相聚清华园。而两位学者的讲学，不仅令清华师生受益匪浅，他们自己的学识与人格亦从中得到了进步与升华。
诺伯特·维纳博士在他的自传《我是数学家》中，曾深情地描述了在清华的生活：“1934—1935学年，我接受了清华大学的邀请，到该校进行为期一年的数学、电机工程学讲学。当然，这项邀请来自于清华官方，尤其是梅校长和顾院长，后者以后担任中国教育部次长……”最后，维纳博士着重强调道：“回顾我的中国之行以及随后的欧洲之旅，如今我能看到，自从马萨诸塞州理工学院的早年岁月后本人取得了多大的进步……我的学术生涯到达了如此的转折点：在这里我的成就无可非议，即使在本国某些地区它们并不受欢迎。我开始意识到，事业的成就不仅仅依赖于大量举足轻重的独立论文，更取决于一个立场，一个永不能被忽视的学习主体。如果让我以科学旅人或者从某种程度上以科学独行侠的身份来勾勒职业生涯中的特殊分界点，我会选择1935年，我在中国的年份。”
正是清华宽松自由的人文环境和对大师的尊重，使中外教授得以在愉快、融洽的气氛中切磋交流，交相辉映，共同铸就了清华的黄金岁月。