Кафедра теоретичної механіки, машинознавства та роботомеханічних систем є об’єднанням кількох кафедр, дві з яких були сформовані при заснуванні інституту в 1930 р.

       З моменту заснування завідувачем кафедри математики і механіки було призначено професора Я.Л. Геронімуса. Кафедрою деталей машин (ДМ) до 1941 року керував професор Б.П. Дашкевич – досвідчений фахівець в галузі машинознавства. Під час Великої Вітчизняної війни обов’язки завідувача кафедри ДМ перший час виконував С.Т. Бойченко, а в 1946 році на цю посаду було призначено Б.С. Ковальского, який у роки перебування в Казані захистив докторську дисертацію, і якому вдалося створити на кафедрі атмосферу творчості. З 1949 року об’єднаною кафедрою деталей машин і теорії машин і механізмів (ДМ і ТММ) завідував Д.І. Костюк, який до цього керував кафедрою теорії машин і механізмів (ТММ). Він повністю прийняв і продовжив розвивати сформовану на кафедрі творчу, ділову обстановку щодо удосконалювання навчально-виховного процесу, розвитку творчої самостійної роботи студентів, залучення їх до наукової праці. Пізніше, в середині 50-х років, викладацький склад поповнився молодими викладачами (В.А. Ткаченко, В.М. Ридченко, А.С. Єфоян, Н.В. Бобирєв, В.В. Алфьоров). Група викладачів – Л.І. Александров, М.П. Артеменко і Л.М. Фельдман розробили конструкцію установок і методику проведення лабораторних робіт з деталей машин.

      В 1962 році завідувачем кафедри ДМ і ТММ було призначено к.т.н., доцента М.П. Артеменка. В цей час кафедра здійснювала навчальний процес з курсів «ТММ», «Деталі машин» і «Технічна механіка».

    На кафедрі ДМ і ТММ в 1967 році розпочато роботи по дослідженню високошвидкісних гідростатичних підшипників для енергоустановок та агрегатів живлення двигунів літальних апаратів. Результати досліджень гідростатодинамічних опор, виконаних на кафедрі, опубліковані в 10 збірниках наукових праць, а також у двох монографіях, а також стали основою трьох докторських і шістнадцяти кандидатських дисертацій. Другим важливим напрямком науково-дослідних робіт кафедри є дослідження хвильових зубчастих передач. Такі дослідження в ХАІ розпочали О.І. Полетучий та В.Г. Зоря. Вони виконали й захистили за цією тематикою кандидатські дисертації. О.І. Полетучий, крім виконання розрахунку й проектування хвильових передач, є автором багатьох конструкторсько-технологічних нововведень щодо зазначених передач, новизну яких захищено багатьма авторськими свідоцтвами СРСР на винаходи.

     У 1998 р. рішенням ректорату кафедру ТММ і ДМ було розформовано з метою поліпшення взаємозв’язку курсу деталей машин з випускаючими кафедрами. У липні 2000 року при формуванні кафедри теоретичної механіки і ТММ до її складу увійшли професор ХАІ з кафедри опору матеріалів В.М. Саприкін (як завідувач кафедри), група наукових співробітників тієї ж кафедри О.Г. Нарижний, О.В. Шехов, О.Ю. Кладова та асистент кафедри авіаційного матеріалознавства В.М. Павленко.

    З 2008 року кафедру теоретичної механіки та машинознавства очолив к.т.н., доцент Павленко Віталій Миколайович, який згодом захистив докторську дисертацію.

     З 2015 року завідує кафедрою доктор фізико-математичних наук, професор Меньшиков Василь Олександрович. З вересня 2012 року до кафедри теоретичної механіки та машинознавства приєднана кафедра робототехніки, після чого об’єднана кафедра отримала назву теоретичної механіки, машинознавства та роботомеханічних систем. Протягом 25 років незмінним завідувачем кафедри робототехніки був вчений і спеціаліст в галузі фізико-технічної обробки матеріалів Костюк Г.І., який є засновником наукової школи плазмово-іонних, іонно-променевих, лазерних та комбінованих технологій.

    У 2014 році до колективу кафедри теоретичної механіки, машинознавства та роботомеханічних систем приєдналася група викладачів, що забезпечувала навчальний процес за спеціальністю «Машини і технології пакування». Ідея відкрити цю спеціальність в університеті виникла ще у 2004 році, адже усі передові технології та технічні рішення завжди належали до аерокосмічної галузі. Нині більше ста студентів вивчають конструювання та проектування пакувального обладнання, системи керування ним, освоюють принципи дизайну упаковки, вивчають сучасні пакувальні матеріали та технології їх використання, зберігання та остаточної утилізації. Навчальний процес за цією спеціальністю сьогодні забезпечує колектив висококваліфікованих фахівців у складі к.т.н., доцента Гнітько О.М., к.т.н., Колоскової Г.М., к.т.н., доцента Московської Н.М., к.т.н., доцента Несвіта В.Ф.

    У травні 2019 року завідувачем кафедри був обраний д.т.н., доцент Баранов Олег Олегович.

Основними напрямками роботи кафедри є:

• підготовка фахівців за спеціальностями «Прикладна механіка» (освітня програма «Роботомеханічні системи та логістичні комплекси») та «Галузеве машинобудування» (освітня програма «Комп’ютерний інжиніринг»);
• викладання окремих дисциплін для інших спеціальностей університету;
• удосконалення якісного складу викладачів кафедри через захист кандидатських та докторських дисертацій;
• редагування навчально-методичних матеріалів;
• удосконалення зв’язку теоретичної та практичної підготовки студентів, їх адаптація до потреб сучасного ринку праці через щорічне проходження практик як на базі ХАІ, так і за його межами.