初创时期
天津大学的前身北洋大学始创于中日甲午海战之后。当时天津海关道盛宣怀通过直隶总督王文绍，禀奏清光绪皇帝设立新式学堂。1895年10月2日，光绪皇帝御笔钦准，成立天津北洋西学学堂，并由盛宣怀任首任督办，校址在天津北运河畔大营门博文书院旧址。
1896年北洋西学学堂正式更名为北洋大学堂，是中国第一所命名为“大学堂”的高等学校。
1899年，天津北洋大学堂的第一届学员毕业。第二年元月，学堂颁发了中国历史上第一张大学文凭。由于成绩最优，从香港考入的学员王宠惠有幸成为“钦字第壹号”文凭获得者。1905年，王宠惠获耶鲁大学法学博士学位。北洋大学从1895年至1911年共有毕业或肄业生518人，其中资送出国52人（不包括自费留学生）。北洋大学堂由于治学严谨，校风朴实，当时在国内北洋大学与哈佛、耶鲁齐名，毕业生可免试进入美国一流大学攻读研究生，因而被誉为“东方的康奈尔”。
天津北洋西学学堂创办之始就按照美国模式办学，在课程设置、教学内容、教科书、教学方法上，全面引进西方教育模式。此外，北洋大学堂还建立了一套较为完善的教育教学管理制度，保证能够实现培养高层科学人才的目的。学堂设立头等学堂（大学本科）、二等学堂（预科），学制各为四年。同时，资送头等学堂毕业生出国留学也是学堂创办计划中的重要组成部分。创办之时，头等学堂设专门学（即科系）四门：工程学、矿务学、机器学、律例学，1897年学堂增设铁路专科，1898年又设铁路学堂，上述学门皆为当时中国社会所急需，体现了北洋大学“兴学救国”的创办宗旨。
1900年八国联军入侵津京，学堂校舍为敌兵所霸占，设备、文档案卷遭毁坏，学校被迫停办。至1903年4月学堂方在西沽正式复课。
1903年北洋大学堂开学复课时，分设法律、土木工程、采矿冶金三个学门，后应外交需要附设法文班、俄文班，1907年开办师范科，至此北洋大学已成为包括文、法、工、师范教育诸科，初具综合性的新式大学。
1912年1月北洋大学堂改名为北洋大学校，直属育部，1913年又改称国立北洋大学，至1928年更名为国立北平大学第二工学院。
专办工科时期
1917年国民政府教育部对北洋大学与北京大学进行科系调整，北洋大学改为专办工科，法科移并北京大学，北京大学工科移并北洋大学。从此，北洋大学进入专办工科时代。
1919年原采矿冶金学门又分为采矿学门、冶金学门。
从1920年6月起，北洋大学专办工科，设有土木、采矿、冶金三学门；后来学门改称系，至1935年北洋工学院设有矿冶、土木、机械、电机共四个系（内分七个工程组）；为了提高学术及技术水平，北洋工学院于1933年开始成立研究所，1934年，其组织章程（含招考研究生）经教育部核准，1935年初，开始招收研究生，首届研究生于1937年“七·七”事变前毕业，并授予硕士学位。