機械工程可說是工程領域中歷史最悠久，包含範圍也最廣的學科之一。隨著科技的進步，現階段的機械工程領域除傳統的汽車、火車、飛機、火箭、船艦、冷凍空調、工具機之外，目前的機械工程已逐漸結合電子、電機、計算器、光電等領域，發展出精密機械、自動控制、微機電系統、光機電系統等新興領域。
機械工程專業的基礎課程包含了所謂的機械五力(靜力學、動力學、熱力學、材料力學、流體力學)、工程圖學、機械設計、機械製造與材料、自動控制、資訊與機電整合。
靜力學探討物體的機械結構受力狀況，以及物體在靜力平衡狀態下的負載；動力學計算物體的運動狀態，研究機械在力作用下的運動情形；熱力學則是在討論能量彼此轉換、及各種能量間轉換效率等問題。
材料力學是瞭解一個材料的結構，以及物質結構對力的影響，例如物體(如一架飛機)什麼部分要比較強的結構，什麼部分需要輕量化等；流體力學則是研究流體(氣體或液體)現象，以及相關的力學行為。像是日常生活中，如果要車子跑得更快，我們知道外型要符合流線形狀，但要如何計算車子流線的程度，都是屬於流體力學研究範疇。
另外，機械工程最終的目的都是希望產品能夠被製造及生產，和相當程度的自動運作，所以一般機械工程專業的學生也會學習諸如機械設計、機械製造、自動控制等學科。而近年機械工程專業的趨勢更是希望學生能跨出傳統機械工程範圍，各大學的學習科目也包含電子電路學、生物學、量子力學、經濟學等。
大致上來說，機械工程專業的次領域可概略分為固體力學(Solid Mechanics)、流體力學(Fluid Mechanics) 、熱流科學(Thermal Science)、機械設計(Design)、機械製造(Manufacturing)、控制(Control)，有些學校也會開設如能源(Energy)、生醫工程(Biomedical)、微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)的研究領域。
固體力學是傳統的機械工程領域，自胡克定律提出以來約有兩百多年歷史，早已形塑一套完整的理論，凡舉機械零件、飛機、核能、汽車、橋樑、工具機以及機械加工，都會涉及固體力學研究的範疇。基本上固態力學研究固體在溫度、形變和外力的作用下的表現。譬如在外力下，物體的應力分佈及變形狀態、在熱負載作用下，如何不會產生變形或損壞、如何利用材料的塑性變形，完成特定加工目的、人體在運動時的骨骼受力等。
流體力學相對於固體力學，研究的物質為流體，也就是液體及氣體的流動現象，以及相關力學性質的科學。流體力學所應用的數學系統比較複雜，目前處理方式是利用電腦進行數值分析，因此有個現代的分支稱為計算流體力學，就是用數值分析的方式求解流體力學問題。
熱流科學是對熱跟流體現象的探討，以熱傳導、流體力學、燃燒等基礎學科為核心。研究領域包括電子元件的散熱、流體流動、熱傳、熱對流、熱輻射、燃燒、相變化、能量轉變、鐳射等基礎理論與其相關應用技術。熱流組有時也會合並能源領域研究，這時涵蓋範圍會更廣泛，譬如有各類光伏或光熱太陽能系統研究、能源系統的效率和可持續性，甚至包括氫能領域等。
機械設計簡單來說就是對機械元件進行構思、分析和計算，最終將其轉化為具體描述，以作為製造依據的一個過程。大至汽車、火箭、蒸汽機，小到日常生活的遊戲控制台、運動器材等，一切都是由機械設計開始發想。過往，機械設計以技術的可行性為導向，現今社會追求的往往還多了產品的"性價比"，因此機械設計也越來越要求以人為本。也就是除了技術要求外，必須更多層次的考慮使用者的體驗，所以機械設計可以說是機械專業裡，最有人文色彩的一個分支。
機械工程最終的目的是製造出設計的產品，甚至是量產，因此機械製造是機械工程相當核心的一個分支。研究範圍包含傳統的切削材料去除、金屬成形技術、精密量測、生產自動化，到半導體和奈米材料加工技術，如化學機械平坦化到添加劑工藝，如3D列印和噴塗處理。
控制則偏重電子類領域的研究，指的是不需借著人力親自操作，利用控制裝置使被控物件或過程，自動按預定規律運行，目前控制領域的熱門主題包括工廠自動化、機器人、無人搬運車、以及生物醫學系統等。
微機電系統，也叫做微電子機械系統、微系統、微機械等，指的是利用半導體製造技術，譬如光刻、腐蝕、薄膜工藝，再加上精密機械加工技術，把機械元件如感測器、執行器、機械結構、信號處理和控制電路等，整合於一體的微型器件或系統，一般在微米甚至奈米量級。微機電系統很多的商品已成功問世多年，例如汽車安全氣囊中的微加速度計、智慧型手機裡也隱藏了數個微機電系統，用來感測壓力、方向及收音等。
