清華的經費問題得以緩解，梅貽琦的既定計劃隨之有了實現的可能。備受政府當局和師生期待，由梅貽琦一手促成、組建的工學院，則屬計劃的重中之重。在梅貽琦的直接指揮、督促下，各項建設、實驗器材訂購及相關人才聘請，齊頭並進，進展迅速，社會各界為之矚目。
1933年3月3日，梅貽琦辭卸工學院代院長之職，正式聘請顧毓琇為院長。自此，工學院進入了清華曆史上堪稱神速發展的“黃金時代”。
至盧溝橋事變前，清華工學院共分三係六組，即土木係、機械係、電機係，三係教師絕大多數為留美的“海龜”，所開課程與教學方法都是仿照美國工科一流大學設置的，同時也非常注重發展當時世界先進的工程技術，如水利、電訊、航空等，為以後清華工學院快速發展並躋身世界一流打下了基礎。
最讓政府當局另眼相看的航空工程組，得到了蔣介石的高度重視和國家航空委員會的得力資助，發展最為迅速，效率更是驚人。按《清華大學校史稿》記述：工學院組建初期，各係花了較大力量建立與擴充實驗室，共建成實驗室十四個及機械係金工方麵的實習工場四個，實驗設備屬世界一流，其中土木係的水力實驗室仿照德國大學類似實驗室建造，設備也多來自德國，被稱為“中國第一水工試驗所”，其特點是規模大、設備充實，高出當時美國大學的一般水平。更為難得的是，整個實驗室乃是本係教師自己設計的兩層樓房高度的建築，有地下水庫一座，可儲水一萬立方英尺；另有高架水庫一座，可儲水一千立方英尺，還有戶外水槽一道，槽旁安置有鋼軌及電車，可作艦艇模型試驗、大型河工模型試驗及校正流量計之用。室內水力機械多屬當時最新式設備，有水輪池及水輪試驗台，有十馬力衝動水輪機一具、各式反動水輪機五具……其龐大壯觀的氣勢，令人驚歎。所有這些用大把大把美金建成的實驗室與購買的設備，絕不是搞花架子辦展覽，或搞雜技藝術表演，而是出於教學的迫切需要，更是為開展科學研究，為病弱衰頹的老大中華盡快步上現代化軌道而設立。