20世紀以來，世界機械工程的發展遠遠超過瞭上個世紀。尤其是第二次世界大戰以後，由於科學技術工作從個人活動走向社會化，科學技術的全面發展，特別是電子技術、核技術和航空航太技術與機械技術的結合，大大促進瞭機械工程的發展。
第二次世界大戰前的40年，機械工程發展的主要特點是：繼承19世紀延續下來的傳統技術，並不斷改進、提高和擴大其應用範圍。如農業和採礦業的機械化程度有瞭顯著的提高；動力機械功率增大，效率進一步提高，內燃機的應用用普及到幾乎所有的移動機械。隨著工作母機設計水平的提高及新型工具材料和機械式自動化技術的發展，機械制造工藝的水平有瞭極大的提高。美國人F.W.泰勒首創的科學管理制度，在20世紀初開始在一些國傢廣泛推行，對機械工程的發展起瞭推動作用。
第二次世界大戰以後的30年間，機械工程的發展特點是：除原有技術的改進和擴大應用外，與其他科技領域的廣泛結合和相互滲透明顯加深，形成瞭機械工程的許多新的分支，機械工程的領域空前擴大，發展速度加快。這個時期，核技術、電子技術、航空航天技術迅速發展。生產和科研工作的系統性、成套性、綜合性大大增強。機器的應用幾乎遍及所有的生產部門和科研部門，並深入到生活和服務部門。
進入70年代以後，機械工程與電工、電子、冶金、化學、物理和激光等技術相結合，創造瞭許多新工藝、新材料和新產品，使機械產品精密化、高效化和制造過程的自動化等達到瞭前所未有的水平。從60年代開始，計算機逐漸在機械工業的科研、設計、生產及管理中普及應用，過去機械工程中許多不便計算和分析的工作，已能用計算機加以科學計算，為機械工程各學科向更復雜、更精密方向發展創造瞭條件。
動力機械 19世紀末至20世紀初，大部分動力機械，如水輪機、汽輪機、柴油機、汽油機等，均已具備瞭現代產品的基本特征。以後的發展主要是提高效率，增大功率，改善運行控制條件，擴大應用范圍。進入50年代後，減少環境污染成為一個重要的課題。20世紀以來發展起來的動力機械新機種有30年代末進入實用的燃氣輪機和50年代發明的旋轉活塞式發動機。50年代起，核反應堆作為新型的蒸汽發生器進入動力機械行列，成為動力工程的一項重大突破。已經采用或正在研究的還有利用其他能源，如風力、太陽能、地熱能、海洋能、生物能等的動力裝置。
水輪機 19世紀下半葉創制的混流式和水鬥式水輪機結構簡單，效率高，適合於高水頭，迅速得到普及。20世紀以來水輪機品種發展迅速。1920年，奧地利人V.卡普蘭又研制成適合低水頭的軸流轉槳式水輪機。第二次世界大戰前夕，又研制成功可逆式水泵水輪機和貫流式水輪機。1956年，斜流式水輪機問世，它的特點是轉輪輕，能適應蓄能電站的要求。水輪機主要用於水力發電，單機容量從40年代的120兆瓦增加到60年代的600兆瓦，1981年，世界最大的水輪機已超過700兆瓦。
汽輪機 20世紀初汽輪機就已成為主要的火力發電設備，並作為船舶動力裝置的主機，代替瞭部分蒸汽機。此後汽輪機的發展主要結合鍋爐的改進，增加功率、提高熱效率、降低材料消耗和造價。第二次世界大戰後，為提高熱效率，大型電站汽輪機一度趨向於采用超臨界蒸汽參數，蒸汽壓力達30～35兆帕，溫度達593～650℃。但因需要昂貴的奧氏體不銹鋼制造鍋爐。後來選用的蒸汽參數有所下降。汽輪機的單機功率不斷增大，1912年最大為25兆瓦，1947年為100兆瓦，1962年為500兆瓦，1972年瑞士制造的雙軸汽輪機組功率達1300兆瓦，是迄今最大的機組。
內燃機 20世紀以來內燃機的應用范圍急劇擴大。移動式機械大部分都使用內燃機為動力。為減少內燃機特別是汽車發動機排氣的污染，采用瞭分層供氣渦流燃燒室，利用計算機控制燃油空氣混合比和點火時間，采用二次空氣噴射和排氣再循環等技術。同時還在試用較少或沒有排氣污染的燃氣輪機、增壓柴油機和飛輪、氫發動機、斯特林發動機等。汽油機進入20世紀後的主要發展是擴大氣缸容積、提高壓縮比、提高轉速以增大功率，並註重降低能耗。柴油機在50年代以前主要用於船舶、農業機械、施工及礦山機械、大型載重汽車和坦克上。柴油機因能節省燃油，排氣污染少，機器使用壽命長，應用范圍不斷擴大，50年代後，在部分小轎車上也開始采用柴油機為動力。旋轉活塞式發動機（見圖）是聯邦德國工程師F.汪克爾於1957年制成的。這種發動機結構簡單，無往復運動，體積小、重量輕、成本低。但在低轉速時的氣體泄漏量高於往復機，低速動力性能和燃料經濟性低於往復機。近年來，由於設計結構、工藝、材料的不斷改進，差距正在逐步縮小。
旋轉活塞式發動機
燃氣輪機 20世紀30～40年代燃氣輪機發展迅速。1939年瑞士建成世界上第一座以燃氣輪機為動力的尖峰負荷電站，1941年燃氣輪機機車問世，同年，以燃氣輪機作為動力的噴氣式飛機在英國試飛成功。第二次世界大戰以後，燃氣輪機除大量用於航空外，還用於備用電站和石油、天然氣輸送管線。1982年，世界最大的燃氣輪機單機功率達100兆瓦，效率達30％。美國正在研究200兆瓦級、效率為40％的新型機組。50年代以後，利用燃氣輪機與鍋爐、汽輪機組成燃氣－蒸汽聯合循環裝置提高熱效率的方法獲得一定的應用。
核動力裝置 1942年，美國的E.費密(原籍意大利)等人建成第一座可控的鏈式核裂變原子反應堆。1954年蘇聯建成功率為5000兆瓦的第一座核電站。至1983年底，世界上共建成核電站反應堆302座，總裝機容量達19.9萬兆瓦，最大的核電站反應堆達1200兆瓦。核反應分為核裂變和核聚變兩種。核聚變比核裂變釋放的能量大得多，放射性危險較小，所用燃料（超重氫）資源豐富，但人工控制它的能量釋放較困難。
機械制造技術 機械制造技術的發展與產品和材料技術的發展緊密相關。20世紀以來，促進機械制造技術進步的主要因素是：
① 產品大型化。70年代，大的工件已重達幾百噸。因此，成套地發展瞭大型毛坯制造、大型零件加工、大型整機裝配和運輸等所需的技術和裝備。
② 產品加工精度提高。20世紀初，最精密零件尺寸精度為0.01毫米，現代最精密的量塊和航天陀螺儀零件的精度要求高達0.01微米。
③ 機械材料的多樣化和加工難度提高。20世紀初，機械工業的主要材料是一般鋼鐵。30年代以後，鋁合金的應用增多。第二次世界大戰後，球墨鑄鐵、合金鑄鐵、耐熱鋼、耐磨鋼、高強鋼、鎳合金、鈦合金、硬質合金的用量不斷增加。60年代以來，工程塑料、復合材料和寶石、玻璃、陶瓷等非金屬材料的應用也逐漸增加。材料力學性能如強度、硬度、韌性的提高，使加工難度越來越大，因之出現瞭一些特殊加工方法。
④ 縮短加工制造周期，提高勞動生產率，減少原材料和能源消耗，提高產品質量，也是促進機械制造技術發展的重要因素。20世紀在這方面的主要進展是加工和檢測過程的連續化、自動化、金屬切削加工速度的提高，少無切削加工的發展，焊接結構的推廣，金屬熱處理和材料保護等技術的普及。
鑄造 40～50年代之間，高壓造型開始應用推廣。這是砂型鑄造的一大改進，造型比壓達0.7～2兆帕，可生產高精度鑄件。砂型鑄件占鑄件總量的3/4以上。80年代初，世界上已有高壓造型線約1000條。1971年，日本創造瞭砂型負壓造型法，提高瞭鑄件精度，並且省砂、節能、污染少。熔模鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造、殼型鑄造等的應用都在擴大。1947年制成球墨鑄鐵，使機械中應用最廣的鑄鐵性能大大改善，並擴大應用到部分齒輪和曲軸，代替鍛鋼。第二次世界大戰以後逐漸普及用電爐冶煉鑄鋼件鋼水，而戰前主要是用平爐。特大件采用多爐合澆工藝，有的采用電渣重熔。50年代發展瞭真空冶煉和真空除氣，提高瞭鑄鋼質量。真空澆註首先用於發電設備的大鍛件制造，後來擴展到滾動軸承鋼，促進瞭軸承壽命的提高。
鍛壓 30年代出現的鋼質零件的冷鐓、冷擠技術，使一些標準件的材料利用率提高到80％以上，並大幅度提高瞭勞動生產率和產品質量。第二次世界大戰期間，奧地利制成精密鍛軸機，美國將爆炸成形工藝投入實用。50年代發展瞭生產大型復雜工件的多向模鍛技術。1958年瑞士制成精密沖裁機。50～60年代之間，出現瞭高速高能錘和輥鍛。60年代以後，精密模鍛技術大量用於錐齒輪和葉片等零件的成形。冷鍛、溫鍛和粉末鍛造在各國迅速發展，超塑性成形已應用於制造汽車、飛機發動機、汽輪機等復雜精密零件。現代工業發達國傢生產的鍛件中，模鍛件占50％以上。在鍛壓機械方面，歐美各國曾於19世紀末用1000千牛以上自由鍛錘鍛造大件。20世紀初，結構緊湊、振動小、易操作的鍛造水壓機取代瞭大鍛錘。到70年代末，大型自由鍛造水壓機在10萬千牛左右。後來，由於鋼錠質量的提高和采用瞭不鐓粗、硬殼壓實等新工藝，鍛件雖然加大，而新造的自由鍛造水壓機均未向更大的方向發展。為滿足大量生產的需要，先後還研制出模鍛錘和熱模鍛壓力機。
焊接 焊接以其聯接可靠、施工簡便、產品結構輕、改型快等優點而不斷擴大應用范圍，技術發展迅速。19世紀發明電弧焊，20世紀頭10年發明瞭薄藥皮電弧焊、鋁熱焊、點焊、氣焊。30年代出現埋弧焊和厚藥皮電弧焊。1951年，蘇聯的Б.Ε.巴頓創造的電渣焊工藝，為大截面材料的焊接開辟瞭新途徑。50年代還發明瞭二氧化碳氣體保護電弧焊、摩擦焊、超聲波焊、等離子弧焊。60年代出現激光焊技術。1966年美國發展瞭厚板窄間隙氣體保護電弧焊，比埋弧焊效率提高1倍，而且節省焊絲，能耗降低。
熱處理 熱處理對改善材料性能有重要意義。1914年德國發明鋁合金時效硬化。1935年美國發展瞭碳氮共滲，1949年出現瞭真空熱處理。1954年又發展瞭形變熱處理。60年代出現流動粒子加熱爐。70年代，激光熱處理、軟氮化、輝光離子氮化開始用於機械工業。第二次世界大戰後熱處理技術最突出的發展之一是可控氣氛熱處理技術的應用和推廣。為滿足對大件熱處理的需要，已研制出多種大型熱處理爐。大焊接件多采用現場焊接、現場退火的方式進行處理。
機械加工設備 隨著部分產品的大型化，加工機床也得到相應發展。到70年代，最大車床加工直徑已達6米，最大立車的加工直徑是26米，最大鏜床鏜桿直徑355毫米，最大龍門銑加工寬度已超過7米，最大滾齒機加工直徑為1.5米。大型機床普遍采用數字顯示儀表顯示加工尺寸。
提高加工效率最直接、最明顯的辦法是改進機床和刀具及合理組織生產。19世紀末至20世紀初，轉塔車床、單軸和多軸自動車床、滾齒機和插齒機等已在部分國傢使用。20世紀初，先後出現仿形機床和組合機床。隨著機床剛性的提高，機床的加工范圍不斷擴大，專業化、自動化程度不斷提高，適應瞭成批大量生產的要求。50年代，數字控制機床和加工中心問世。70年代微電子技術應用於機床，使機床的加工靈活性增加，滿足瞭多品種、小批量生產的要求。19世紀末，F.W.泰勒研究金屬切削理論，作瞭大量的切削實驗，並與M.懷特合作發明瞭高速鋼，使切削速度成倍提高。20～30年代，美國的J.F.尼科爾森、D.史密斯和日本的大越淳等，在金屬切削原理方面，進行瞭大量的試驗研究，使金屬切削和刀具設計逐步科學化。繼高速鋼之後，刀具材料又不斷革新。1923年德國用粉末冶金法制成硬質合金刀具，又一次提高瞭切削速度。第二次世界大戰後，發展瞭不重磨硬質合金刀具、超細化硬質合金刀具。後來又出現碳化鈦、氮化鈦、陶瓷覆層硬質合金，人造金剛石等，都具有優異的切削性能。
提高機械產品的精度等級，主要依靠新的加工方法、新型機床、新工具和先進的測量手段。19世紀磨床已經實用，碳化矽、氧化鋁磨料也已問世。20世紀初陸續研制出坐標鏜床、磨齒機、螺紋磨床等，成為現代精密機床的基礎。30～50年代出現珩磨機、超精磨床、光學坐標鏜床、電動比較儀、高精度圓度儀等精密加工和測試設備。60年代，激光幹涉儀的問世，對能達到0.01微米的加工精度起瞭重要作用。80年代以來，為滿足電子工業和空間技術的更高要求，加工精度正向0.001微米這一目標前進。為此，從材料、工藝、設備到環境控制方面入手，創造瞭一套不同於傳統的新工藝，即所謂“毫微米工藝”。
特種加工技術 第二次世界大戰以後，由於機械工業使用的難加工材料增加，特種加工應運而生。這些加工方法的共同特點是能量密度高，作用時間短，產生熱影響或變形小，能量可控，容易自動化。在模具、動力機葉片、寶石軸承、硬質合金等領域的生產制造方面，如電火花加工、電解加工、激光加工和等離子弧加工等特種加工方法，已逐漸取代瞭傳統的加工方法。
粉末冶金技術 一種精密的無切削制造方法。1910年美國首先用粉末冶金材料生產電燈鎢絲，20年代在德國開始用於生產硬質合金。第二次世界大戰期間，德國向意大利和日本傳播粉末冶金技術，用於生產炮彈彈帶和其他制品，美國在此期間開始生產含油軸承。戰後粉末冶金材料種類增多，制件質量提高，應用范圍擴大。40年代末，美國、蘇聯就已著手研制粉末冶金高速鋼，以後許多國傢進行瞭生產。1964年日本制成鋁基粉末冶金燒結零件。1970年美國制成燒結鈦合金。粉末冶金還可以制造金相平衡圖上所沒有的非平衡材料。粉末冶金材料除鐵粉、銅粉外還包括合金鋼粉、合金粉、稀土元素粉等。制粉方法有還原、霧化、機械粉碎、電解、化學置換法等。
自動化 機械工業的自動化生產，是20世紀機械工程發展中的一項突出成就。
① 機械式自動化技術：首先在武器、鐘表、縫紉機、自行車、汽車和拖拉機等大批量生產的行業中發展起來。1926年，美國福特汽車公司建造瞭加工汽車底盤的第一條自動生產線。1939年蘇聯建成拖拉機履帶加工自動線。第二次世界大戰後，自動化進一步獲得發展。
② 電子式自動化技術：機械式自動化適用於單一品種的大量生產。電子計算機在機床上的應用為多品種、小批量生產的自動化提供瞭手段。美國於1952年制成數字控制機床，又於1958年制成加工中心。1964年，小型計算機用於數控機床，使系統的靈活性、通用性大大提高。1966年又制成由一臺計算機控制多臺數控機床的群控系統。從此以後，數控機床的發展和普及十分迅速。它具備自動機床、精密機床和萬能機床三者的優點，可達到高效率、高精度、高靈活性的良好效果。
機器人是50年代後期出現的一種電子式自動化裝置（見工業機器人）。各國已研制出數百種型號的機器人，大量用於機械工廠的物料搬運、焊接、噴漆等。現代正在利用計算機、傳感器、變送器和人工智能的成果，研制智能機器人，以便用於裝配和維修等復雜作業。
機械工程基礎理論 機械工程基礎理論為機械技術的發展開辟道路，又在解決機械技術的實際問題中得到充實和提高。
機構學 第二次世界大戰以後，由於機器的負荷提高，速度加快，對機器的精度和可靠性提出瞭更高的要求，對機械動力學的研究有所加強，研究的內容也日益豐富。50年代後期，隨著電子計算機的發展，以美國的F.弗羅伊登施泰因為代表建立瞭以線性代數為基礎、用計算機求解機構學問題的方法。60年代後期，由於數學規劃法與計算機的結合，出現瞭機構的優化設計。針對工業自動化、空間技術、機器人等發展提出的復雜的機構問題，70年代以來，開展瞭對開環運動鏈的空間機構、多自由度空間機構、運動過程中結構變化的機構、組合機構等的研究。
機械振動 20世紀以來，隨著機器的高速化、大型化，機械振動問題越來越突出。專傢們對線性振動、非線性振動和隨機振動進行瞭系統的研究，到50～60年代已形成基本的理論體系。針對海洋設備繩纜、油氣管線、大型起重機、汽車、船舶、飛機、火箭、汽輪機、鍋爐、換熱器、容器等遇到的問題，對弦、梁、板、殼等連續體振動的研究都十分活躍。對鍋爐、換熱器、壓力容器、核反應堆中產生的熱和流體誘發的振動，也開展瞭研究。旋轉機械由於轉速的提高而引起的振動，早已引起人們註意。1907年已有轉子雙面平衡機的設計，剛性轉子平衡問題也已獲得解決。70年代以來，對撓性轉子的平衡和減振、隔振以及振動的利用等課題的研究已成為一門新的學科。
摩擦、磨損和潤滑 關於摩擦，20世紀初仍沿用18世紀建立的分子粘附理論和凹凸理論。40年代後，兩者統一為機械-分子理論。關於磨損，50年代提出粘著磨損理論和疲勞磨損理論。關於潤滑，1886年英國學者O.雷諾的流體動壓潤滑理論，到20世紀仍居經典理論地位。40～60年代，蘇聯和英國學者建立瞭彈性流體動壓潤滑理論，並用電子計算機進行瞭驗證，這是流體動壓潤滑理論的重要發展，對軸承等技術的提高起瞭積極作用。60年代以來，摩擦、磨損和潤滑逐漸形成一門統一的學科，稱為摩擦學。
材料力學 進入20世紀以來，材料力學產生瞭許多新的分支：結構力學、板殼力學、彈性力學、塑性力學，疲勞、蠕變和環境強度理論，斷裂力學、實驗力學等。其中如斷裂力學在判斷機構結構方面影響很大。斷裂力學的初期理論，即能量平衡理論，是1920年英國的A.A.格裡菲思提出的。他在研究材料表面缺陷對疲勞的影響時發現，隻考慮應力集中不能充分說明問題，遂提出材料存在裂紋的假定，考慮整個系統的能量平衡，引出材料脆性斷裂的理論。第二次世界大戰後，經美、英等國學者進一步研究，形成斷裂力學這一新的學科分支。1956年斷裂力學名稱開始使用，到70年代材料斷裂的判據已發展到3種：斷裂韌性Ke值，裂紋尖端張開位移COD和J積分，現代正進一步向微觀與宏觀結合的方面發展。
有限元法 50年代，美國開始用有限元法進行應力分析，其基本思路是把連續體轉化為有限個單元，然後用矩陣分析，在計算機上求解未知量。經過20年的推廣應用，有限元法已用於解決幾乎所有連續介質和場的問題，包括應力、應變、振動、溫度場、流場之類的問題。許多過去隻憑經驗數據類推或靠實驗分析驗證的復雜工程問題，已能更簡便、更精確地用計算方法來解決。