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20世纪初，以克莱因、普朗特为代表的科学家提出了数学、力学等要面向应用，致力于解决工程问题，因此，在力学方面形成了应用力学学派。普朗特的学生冯·卡门、铁木辛柯等力学家继承了应用力学的学派思想。而冯·卡门的学生钱学森先生则明确提出了创建工程科学的思想。1947年夏天，钱学森先生在浙江大学、上海交通大学和清华大学为工科学生做演讲时，提出了工程科学的概念，并指出“工程科学是缩短这一‘学习某个行业’严酷过程的有用的工具”。
在古代，科学活动归属于“自然哲学”的门类中，旨在通过使用数学、几何及其他理性方法，探求自然界乃至整个宇宙的根本属性，很少关心如何解决个体在实践中遇到的问题。
技术活动则被视作手工的、机械的、由工匠实施的实践活动，关注特定情况下的实践问题。主要使用试验性的方法和经验性的技巧来解决特定问题，解决方案不具有普适性。技术知识主要通过学徒制度在师徒日常接触中传播，技术知识的记录形式也以图形为主。
在中世纪晚期，机械印刷、航海、火药等技术快速兴起，商贸活动伴随着殖民战争席卷了大半个地球。在文艺复兴时期，出于商业和战争的需求，各类有能力增强军事力量、改善商业体系的工程师得到了来自上层阶级的赞助。这些受赞助的工程师很多都具有绘画、雕刻、建筑等方面的才能。他们都有从事手工业的背景，也都受过一定程度的教育，同时还有和上层阶级接触的渠道，他们的工作使得机械技能转化成了可以用抽象形式学习和传播的系统性知识。其中的代表人物莱奥纳多·达·芬奇通过分析大量的机械图纸，总结出了一些机械原理，产生了机械零件和建筑框架等，为系统性研究机械和建筑开辟了道路。
机械印刷在15世纪40年代由发明家古腾堡引入欧洲，它从根本上改变了科学知识的创造与传播的方式，使得精确的图表、地图、解剖图和动植物的描述得以复制，学术书籍更容易获得，研究人员可以自由查阅古代文献，并将自己的观察结果与其他学者的观察结果进行比较。
机械印刷的传播与发展使得古希腊的自然哲学及数学著作得以重新翻译与传播，逐渐引发了一场“科学革命”。从微观层面看，正是以下所列的思想成就，谱写了科学革命的长卷。
欧几里得的《几何原本》于1482年首次印刷。尼古拉·哥白尼（1473—1543）于1543年出版了《天体运行论》，推进了宇宙学中的日心说。安德烈亚斯·维萨留斯（1514—1564）发现血液循环来自心脏的搏动，他还通过解剖尸体组装了第一副人类骨骼，并于1543年出版了《人体结构论》，该书质疑了盖伦的观点。法国数学家弗朗索瓦·韦达（1540—1603）于1591年发表了《分析艺术》，这是第一次用符号表示代数参数的书籍。威廉·吉尔伯特（1544—1603）出版了关于磁体和磁性物体的著作，1600年他出版的关于大磁体——地球的著作，奠定了磁学和电学理论的基础。16世纪后期，第谷·布拉尼（1546—1601）对行星进行了广泛且更精确的肉眼观察，这些观察成果成为开普勒研究的基础数据。弗朗西斯·培根爵士（1561—1626）于1620年出版了《新逻辑》，该书概述了一个基于归约过程的新逻辑系统，培根认为新逻辑是对亚里士多德三段论哲学过程的改进，它促进了后来的科学方法的发展。伽利略（1564—1642）改进了望远镜，并用它进行了几次重要的天文观测，包括木星的四个最大的卫星（1610年），金星的相位（1610年，证明哥白尼是正确的），土星环（1610年），以及对太阳黑子进行了详细的观测。伽利略基于他开创性的定量实验发展了落体定律，并对这些实验进行了数学分析。约翰尼斯·开普勒（1571—1630）于1609年发表了他的行星运动三定律中的前两条。威廉·哈维（1578—1657）用解剖和其他实验技术证明了血液循环理论。勒内·笛卡儿（1596—1650）在1637年发表了《方法论》，这有助于建立科学方法。安东尼·范·列文虎克（1632—1723）建造了功能强大的单透镜显微镜，并用它进行了广泛的观察，开启了生物学的微观世界。克里斯蒂安·惠更斯（1629—1695）发表了关于力学（他是第一个正确阐述离心力定律的人，并发现了钟摆理论）和光学（他是光的波动理论最有影响力的支持者之一）的重要研究。艾萨克·牛顿（1643—1727）在开普勒、伽利略和惠更斯的工作基础上，证明了引力的平方反比定律，解释了行星的椭圆轨道，并提出了万有引力定律。他和莱布尼茨对微积分的发展做出了重要贡献，开辟了数学方法在科学上的新应用。牛顿教导说，“科学理论应该与严格的实验相结合”，这成为现代科学的基石。
科学革命首先改变的是人们对知识的追求：从基于对人类心灵内部力量的信任，转向依赖于对外部现象的观察；从对过去“圣哲”智慧的无限崇敬，转向对变革与进步的热切期望。科学革命期间建立了数学、物理、天文学、生物学（包括人体解剖学）和化学等现代学科，知识以前所未有的速度生成、积累与传播。经过科学革命，演绎法逐渐让位于归纳法，哲学家通过读书思考勾勒的“定性世界”，转变为科学家通过实验研究揭示的机械、数学的“定量世界”。
科学方法的重要哲学基础是“经验主义”，这个词的创造初衷是描述弗兰西斯·培根与勒内·笛卡儿之间的差异，后者则被称为“理性主义”。托马斯·霍布斯、乔治·贝克莱和大卫·休谟是经验主义哲学的主要倡导者，他们发展了一个复杂的经验主义传统，作为人类知识的基础。经验主义的一个有影响力的表述是一篇关于人类理解的文章（约翰·洛克于1689年撰写），其中坚持认为，人类头脑可以获得的唯一真正的知识是基于经验的。书中写道，人类的大脑被创造为一块“空白板”，在上面记录感官印象，并通过反思过程积累知识。
被称为“经验主义之父”的弗朗西斯·培根是建立科学调查方法的关键人物，奠定了科学革命的哲学基础。他的著作确立并普及了实验方法以及基于实验的科学研究的归纳方法，通常被称为归纳方法或简称为科学方法。培根认为“人是自然的使者与解释者”“知识即是人的力量”“人在工具的帮助下实现效益”。培根还提出了新的研究方法——为了获得关于自然的知识和力量，哲学家应首先排除脑海中的错误观念与倾向，然后通过归纳建立由事实到公理再到物理定律的合理化过程，他认为哲学过于关注话语和辩论而忽视对物质世界的观察，文字也会限制理性的力量。在他看来，科学最重要的不是继续进行智力讨论或仅仅寻求沉思的目标，而是应该通过提出新的发明来改善人类的生活，他甚至说“发明也可以说是新的创造和对神圣作品的模仿”。他探索了如印刷机、火药和指南针等影响深远、改变世界的发明。
伽利略被称为“现代观测天文学之父”“现代物理学之父”“科学之父”“现代科学之父”。伽利略将科学实验与数学结合起来，率先提出“自然法则是数学”。在《分析者》中，他写道“宇宙……它是用数学语言写的，它的字符是三角形、圆形和其他几何图形。”为了进行科学实验，伽利略建立了长度和时间的标准，这样在不同的日期和不同的实验室里进行的测量，均能够以可重复的方式进行比较。这为通过归纳推理来验证数学定律提供了可靠的基础。伽利略在数学、理论物理和实验物理之间建立了紧密的联系。
伦敦皇家学会和法国科学院的建立，标志着科学研究开始迈向制度化。英国伦敦的“格雷欣协会”被认为是世界上第一个科学团体。大约在1650年，格雷欣协会的医生和律师们受到弗朗西斯·培根“新科学”的感召，建立了在科学规则下运行的“牛津哲学协会”。1660年11月28日，一个由12人组成的委员会宣布成立“促进物理数学实验学习的协会”，每周开会讨论科学并进行实验。在第二次会议上，罗伯特·莫雷宣布国王批准了这次集会。1662年7月15日，国王签署了皇家宪章，将该协会命名为“伦敦皇家学会”，由布隆克尔勋爵担任第一任主席。第二个皇家宪章于1663年4月23日签署，国王被确认为学会创始人，该学会更名为“伦敦皇家自然知识进步协会”。同年11月，罗伯特·胡克被任命为实验馆长。从那时起，英国每一任国王都担当着学会保护人的角色。法国在1666年建立了科学院。与英国的私人起源不同，法国科学院是由让·巴普蒂斯特·柯尔贝尔作为政府机构创建的，被命名为“王家科学院”。
在科学革命期间，天文学和数学得到了极大发展，力学与运动学、生物学与医学、光学、电学、化学等现代科学学科得以建立。随着科学的发展，发明了各种测量工具和计算装置，早期的工业机械、仪器设备、材料科学和工程结构设计也取得了重大进展。但更重要的是，在科学革命期间涌现了一系列的科学思想和方法，共同构筑了现代文明的基石。
18世纪末和19世纪初的第一次工业革命期间，人类的工业生产从手工操作转变为机器操作，从小规模作坊转变为以工厂为中心的社会化大生产。这一历史进程伴随着劳动机器的发明与广泛应用、新的动力形式的采用，以及自然科学的迅速发展。
工业革命以来，由于工业化发展的需要，各类工程学校、技术研究机构、工业研究实验室等专业工程类社会组织不断涌现，科学和技术的互动日益紧密。这些新型的社会组织创造了新的研究方法，在理论和实践之间形成了新的和谐关系，促成了作为科学和技术之间的桥梁的工程科学的出现。同时，工程科学也促进了知识和方法论在科学活动与技术活动之间的传播，不但为科学成果转化为技术成果提供了便利，而且推动了技术活动的科学化与合理化。
工程科学作为制度化的科学，首先在巴黎综合理工学院、格拉斯哥大学、史蒂文斯理工学院以及德国高等技术学院等理工院校中崭露头角。
随着技术的迅速发展与更新换代，技术经验的积累使人们能够对技术系统、过程和方法的经验知识进行系统化整理与概括。新的工程科学专注于研究和产出如何组织和管理更大规模的工业生产，如何更有效地开发自然界的能源与物质，以及如何更巧妙地利用各种新技术系统等方面的知识。
工作手段、基础材料和被技术控制的加工条件的持续变化，推动着工程科学的持续发展以及新学科不断涌现，直到今天这一过程仍在进行。
在18世纪的英国，随着蒸汽机、铁路、船业以及大型铁桥的发展，工程师使用的经验法则和试错技巧已难以满足设计和建造这些新型工程对象的需要。与此同时，新发现的科学规律如牛顿定律、玻意耳定律、伯努利方程等尚不能直接应用于处理钢铁结构、蒸汽机工作过程以及真实流体等技术问题。因此，致力于解决实际问题的科学家需要学习工程师的实践知识。于是新兴的工商业阶层支持建立了很多新的机构，目的是发展更具技术性的科学。
早在17世纪的法国，一批院校的建立，发展了航海、桥梁建筑、制造业等科学实用的基础科目，以支持重商主义者和制造商的发展。到了18世纪，法国政府积极参与各种军事和商业项目，创建了路桥工程师协会（1716年）、皇家路桥学校（1747年）、高等矿业学校，以及一批军事院校。1794年到1795年之间，拿破仑在巴黎创建了巴黎综合理工学院，旨在培养军事工程师和民用工程师。在此期间，“工程科学”的术语首次在一所炮兵学校出现，早在1729年伯纳德·福瑞斯特·德·拜里朵所著的名为《科学工程师》的著作中，就提出了“工程科学”一词。以巴黎综合理工学院为代表的法国工程院校非常重视以理论化与数学的方法来发展应用科学技术。
法国的工程院校对奥地利理工学院、德国高等技术学院，以及美国的西点军校和伦斯勒理工学院产生了深远影响。奥地利和德国在此基础上开创了具有自身特色的工程科学发展模式。以维也纳理工学院的创办为引领，德国高等技术学院将源自法国的“科学与数学作为技术研究的共同基础”以及德国传统的“知行合一的大学理想”结合起来，发展出了能够综合科学理论与技术实践的工程科学体系。
苏格兰格拉斯哥大学的朗肯教授致力于将实践观察和机器的物理理论结合起来，建立介于纯理论与纯实践之间的独立知识分支，认为“理论与实践的融合不是重复现有科学，而是建立新的工程科学”。他出版了一系列手册用来传播工程科学思想。这些手册后来风靡欧洲、美国和日本，被当成培养工程师的标准教材。
在19世纪末的美国，“学校文化”在与“店铺文化”的斗争中占据上风，树立了“工程与科学之间的融合可以通过正规教育来实现”的观念。美国工程科学的领军人物罗伯特·亨利·瑟斯顿在史蒂文斯理工学院以及康奈尔大学创立了工程科学，他认为应该将培根式的科学方法论应用于技术，而不是追求直接将科学规律应用于技术；应该通过观察收集事实，然后归纳发展规律；技术规则可以独立于科学规律发展。瑟斯顿在史蒂文斯理工学院建立了第一个机械工程实验室。
工程科学在创立之初，紧密切合工业革命迅速推进的实际需求，代表性的学科领域有材料强度与弹性理论、结构研究、机器研究、热力学、流体力学等。
19世纪末，随着化工、电气等以科学为基础的行业的兴起，工程科学逐渐增加了“产业科学”的色彩。
到了20世纪初，工程科学更多地与工业研究实验室联系在一起，这一时期的工程科学体现出“以行业为基础”的鲜明特色。
早在18世纪后期化学与电磁学就开始取得显著进展，催生了一大批化学工艺和新材料，以及电报、电灯、电话、电动机、发电机等一系列的技术发明。在这些成果的基础上涌现出美国的杜邦、柯达，德国的巴斯夫、拜耳、法本等一批大型化工企业，以及西联电汇、贝尔电话、爱迪生通用电气、西屋电气、德律风根、西门子等一批大型电气企业。化工和电气是最早的以科学为基础的行业，也是第二次工业革命时期代表性的工程科学领域。人们认识到新的技术发明不再完全依赖实业家的浪漫理想和灵光闪现，还可以来自一组研究人员的合理计划和协作过程。在此背景下，在工业界涌现出很多以科学家和工程师组成的多学科团队为主体的工业研究实验室，各大学也建立了与行业紧密相连的工程实验室和科研流动站。这些实验室以解决实际问题为目的进行研究，发展了新的技术理论和设计方法，进一步模糊了科学与技术之间的界限，形成了以行业为基础的工程科学。
20世纪初，科学管理和以流水线为代表的大规模生产兴起。随之而来的两次世界大战使得军工产生崛起，并在战后形成了“军工复合体”，科学和技术之间的区别日益模糊。在战后的理论、技术与社会转型的浪潮中，科学、工程、技术三者最终归于“技术科学”。
无线电通信在海上作战中发挥了重要作用。马可尼公司为英国皇家海军提供无线电装备；德律风根公司为德国海军提供装备；美国政府鼓励大企业进行无线通信方面的研究，海军顾问委员会建立了实验研究站，汇聚了大批杰出的科学家与大企业合作研究潜艇探测。
此外，各国政府都注意到了航空器在作战中的应用潜力。在莱特兄弟的飞行表演后不久，英国政府就成立了航空咨询委员会，英国国家物理实验室建造了风洞进行航空研究。俄国的尼古拉和德国的库塔提出了新的升力理论，德国的普朗特提出了边界层理论。法国的埃菲尔利用风洞开始了一系列有关升力机理的研究。美国成立了国家航空咨询委员会，并与斯坦福大学的两位教授签约，利用风洞试验研究了参数化的翼型系列。
在两次世界大战期间，航空研究彻底改变了飞机设计。英美合作的兰利实验室通过一系列风洞试验推动了飞机架构的精简。20世纪30年代，美国国家航空咨询委员会（National Advisory Committee for Aeronautics，NACA）建成了大型风洞，用于设计新的航空发动机整流罩和新的翼型系列。飞机设计和空气动力学理论的进步促使英国和德国的一批专家投身于高空高速飞行的研究，在英国航空研究协会和德国航空部的支持下，英国和德国分别开始了涡轮喷气发动机的研究。
雷达是英国人罗伯特·沃森·瓦特发明的，他是英国国家物理实验室雷达研究站的负责人，他的工作促成了第一次大规模防御雷达网的部署。英国牛津大学克拉伦登实验室和通用电气温布利实验室合作开发了产生微波的腔体磁控管，并将该技术与美国人共享，以便利用美国的生产设备。美国国防研究委员会的微波委员会在麻省理工学院设立了辐射实验室，并与贝尔实验室、雷神公司、西电公司、通用电气公司及西屋电气公司合作，开发了可以探测飞机及舰艇的机载雷达系统，并建立了远程导航辅助系统。国防研究委员会与希尔瓦尼公司合作开发的近炸引信，在太平洋战场的空战中发挥了关键作用。这些开发合作汇聚了学界和工业界的研究人员，模糊了科学和技术之间的界限，属于工程科学的范畴。
二战之后紧接着是冷战，由于二战被看作是“军工复合体”开发生产的各种“制胜武器”的胜利，在冷战期间，各国政府加强了对科学与技术的支持与指挥。在美国，海军建立了海军研究办公室，在空军的支持下建立了兰德公司，美国国会创建了国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）、国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）以及原子能委员会（Atomic Energy Commission，AEC）。欧洲成立了欧洲原子能研究中心、欧洲航天局和法国国家科学研究中心等。这些官方机构向学界和工业界拨款，将经费集中在核武器、固体电子学、火箭与航天技术、计算机科学、生物技术、纳米技术等领域。这样一来，科学研究着眼于特定的“技术单元”，如反应堆、导弹和计算机。科学和技术之间的严格界限消除了，二者都归属于以技术装置或产品为中心的综合知识领域。在这些领域，科学与技术相互依存，没有科学，技术就不可能存在；没有技术，科学也不可能存在。1946年，美国哈佛大学将工程科学系更名为“工程科学与应用物理系”，康奈尔大学也建立了“工程物理系”，人类社会进入了“技术科学”或者说“科技”时代。
在核工业领域，早期的研究集中在用于生产核武器的反应堆以及作为运载工具动力源的紧凑型反应堆两个方向。20世纪50年代中期以后，则开始了和平利用原子能的核电反应堆研究。新的研究十分依赖新的设备，例如，新的核物理实验设备中的粒子加速器，来自“二战”时的微波研究；新的探测器也是来自核武器和导弹技术的检测需求。对技术设备的依赖也深刻影响着物理理论的发展，并且很多新的物理理论都需要非常庞大、昂贵的实验设备来验证。
在航天工业领域，各国的航天工业都汇集了政府、军事、学界、工业界的研究力量，很多科学研究，比如行星科学和天文学，都严重依赖行星探测活动和空间望远镜的运行，并且都需要由天文学家、物理学家、航空航天工程师、机械工程师、电气工程师、计算机科学家及工程师等组成的跨学科团队共同进行，同时由国家或国际实验室及政府机构进行组织和管理。
在半导体与固体电子学领域，由于美国陆军通信兵对小型化通信设备的强烈需求，使得1947年12月在贝尔实验室诞生的晶体管迅速实现了产业化。为满足导弹和核动力潜艇的使用需求，美军推动了半导体材料向更廉价的硅的转型，同时也鼓励将晶体管的知识传播到工业界和大学。这一举措促使朝鲜战争后的日本兴起了民用电子产品工业，其中的典型产品就是助听器和收音机。由于日本被禁止发展军事工业，所以晶体管在民用领域的很多应用都是源于日本。20世纪50年代后期，晶体管的发展人之一威廉·肖克利离开贝尔实验室，在斯坦福工业园开办了新公司，加强了私营企业与大学之间的合作，这被认为是硅谷的开端。晶体管市场的飞速壮大也拉动了电子制造工艺的飞速进步，为集成电路的发展奠定了基础。在不久之后，以集成电路制造业为主体的微电子工业迅速崛起，在短时间内就达到了“摩尔定律”描述的发展速度，成为工业技术复杂度最高的高科技制造行业。
以晶体管和集成电路作为核心零部件的各个行业中，最引人注目的是计算机行业。通用计算机的概念可追溯至19世纪上半叶的“巴贝奇分析机”。1945年出现了第一台全电子计算机——电子数字积分计算机（Electronic Numerical Integrator And Computer，ENIAC），1949年出现了第一台存储程序计算机——电子离散变量计算机（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，EDVAC），同时麻省理工学院的机电实验室发明了随机存储磁芯存储器，这奠定了现代冯·诺依曼架构通用电子计算机的基础。1957年，最早的全晶体管计算机问世，到了20世纪60年代一些工厂开始在生产线上使用集成电路，最终促成了微型计算机的发展。
在计算机硬件迅速发展的同时，计算机软件也在进化。计算机软件起源于计算机的各种操作指令，这些机器指令被符号化为机器代码。20世纪50年代出现了更高层次的编程语言，典型代表是公式转换（FORmula TRANslation，Fortran）和通用业务语言（Common Business-Oriented Language，COBOL）等，与此同时，研究人员开始创建计算机操作系统，以控制多个计算任务的计划与运行。随着计算机的迅速发展，开始出现计算机科学的研究。计算机科学研究的是作为人造物的计算机硬件和软件，即“计算”的机器以及机器的“操作”。前者研究计算机“是什么”和“怎么操作”，后者研究计算机“干什么”和“怎么干”，也就是数据结构和算法。从1968年开始，计算机领域的很多从业者转向对“计算”的研究。美国计算机协会为计算机科学推荐了新的课程，并用逻辑设计、编译原理和算法等计算机软件课程取代了计算机硬件课程，软件产业逐渐从硬件中分立出来。这样一来，计算机科学既包含设计制造计算机（机器）的知识，又包含设计开发测试软件产品（工程）的知识，还包含设计数据结构和算法（数学）的知识，是技术科学领域的典型代表。此外，软件和信息系统工程师甚至需要培养广泛的“非技术”技能，即拥有专业知识，能够将IT产品“对准”应用产品的组织和业务；能够确定并指定系统的用户需求；能够有组织地实施项目；能够正确评估产品及其带来的变化。
从20世纪30年代起，在材料科学领域，关于原子结构和材料整体性能之间的关系的新知识，使得设计给定属性的材料成为可能。美国国防部高级研究计划署成立后，在全美多所重点大学资助了大量跨学科的材料研究实验室，并引入了电子显微镜、X射线衍射以及核磁共振等新型分析技术。材料科学的进步促进了激光技术、超导技术和纳米技术等多个技术领域的诞生和发展。这些旨在实用的技术研究工作，往往会带来新的科学发现，例如对纳米技术的研究促成了人造蛋白质及富勒烯等研究成果；同时，对蛋白质折叠机制及新的富勒烯的探索等基础研究工作，也都时刻关注着实用性。
在计算机科学和材料科学的基础上，生物技术也迅速兴起。1953年，沃森和克里克确定了脱氧核糖核酸（Deoxyribo Nucleic Acid，DNA）的结构，开启了生物遗传信息研究的大门。在研究基因密码的过程中，有部分研究人员运用了二战时的密码破译技术和计算机工具。虽然DNA发挥作用的方式最终是依靠传统技术破解的，但研究人员依然经常将DNA与信息编码联系起来。1976年，美国成立了第一个以基因工程为核心的生物技术公司，随后，大量生物技术公司如雨后春笋般涌现。不久之后大学也开始建立实验室和研究机构，致力于创造新的商用生物技术产品与工艺。20世纪70年代后期，美国哈佛大学和英国剑桥大学合作开发了基因测序技术。到了1988年，在美国能源部和国立卫生研究院的资助下成立了人类基因组计划，2000年，在政府计划和商业利益的双重驱动下，第一份人类基因组草图完成。人类基因组计划的成功，淡化了纯科学与应用研究之间、科学与技术之间的传统分野。
人们普遍认为，二战后的西方科学技术体系由以范内瓦·布什命名的“布什范式”奠定了秩序基础。1945年布什发表了重要论文《诚如所思》（As We May Think），在这篇论文里，布什提出的微缩摄影技术和麦克斯储存器等诸多理论，预测了二战后到现在几十年计算机的发展，后来许多计算机领域的先驱们都是受到这篇文章的启发。“信息论之父”克劳德·艾尔伍德·香农（Claude Elwood Shannon）、“硅谷之父”弗雷德里克·特曼（Frederick E Terman）都是布什的学生。在信息时代的发端，布什不仅贡献了自己的智慧，更重要的是作为一个先知和先驱，开创并推动了整个时代。
布什范式在很长的时期内，都是西方科技界最广为人知的“科技成果转化”和“技术转移”的最重要的理论基础和政策依据。布什范式揭示了基础科学进步是技术创新的“主要源泉”。从基础科学到技术创新的过程称为“科技成果转化或技术转移”，它由基础研究、应用研究、开发等阶段构成。这个过程最大的特点就是每个后续阶段都要依赖前一个阶段的成果。以下是对各阶段的介绍。
●基础研究的任务是认知世界，由科学家自由去探索未知，拓宽人类对世界的认知（知识）边界；
●应用研究的任务是改造世界，由工程师利用已有的认知（知识），将可能变成现实，解决实际应用问题；
●开发的任务是把研究的成果，最终变成实用的材料、装备、系统、方法、工艺等。
科学是一种系统化的努力，以可检验的解释和对宇宙预测的形式，来建立和组织知识体系。
最早的有关科学的文字记录来自公元前3000年至1200年左右的古埃及和美索不达米亚。那个时期的数学、天文学和医学方面的贡献影响并塑造了古典时期的希腊自然哲学，通过这种哲学，人们试图以自然原因为基础，对物质世界中的事件做出正式的解释。
从10世纪到13世纪，自然哲学得以复兴，自然哲学后来被从16世纪开始的科学革命所改变，因为新的思想和发现，背离了以前的希腊观念和传统。随着“自然哲学”向“自然科学”的转变，科学方法很快在知识创造中发挥了更大的作用，直到19世纪，科学的许多机构和专业特征开始形成。
科学研究的关键之一是使用科学方法，这种方法寻求以可再现的方式客观地解释自然事件。科学家通常认为，证明科学方法的合理性需要一套基本假设：所有的理性观察者都共享一个共同的客观现实；这种客观现实受自然规律支配；这些规律是通过系统观察和实验发现的。
在科学方法中，解释性思维实验或假设，被提出来作为尝试性的解释，并被期望寻求某种一致性——与其他观察或与科学问题相关的公认事实相符合。这种尝试性的解释被用来做一些可证伪的预测，而这些预测通常在被实验检验之前就被公布出来。预测的反证或证伪即是科学进步的证据。
数学在假说、理论和定律的形成中是必不可少的，因为它被广泛用于定量建模、观察和收集测量数据。统计学用于总结和分析数据，这使科学家能够评估实验结果的可靠性。
实验在科学研究中尤其重要，它既有助于建立因果关系，又可以避免相关性谬误。尽管在一些科学领域，如天文学或地质学，预测、观察可能更合适。当一个假设被证明不令人满意时，它就被修改或抛弃。如果假设通过了检验，它就可能被采纳到科学理论的框架中，成为一种可进行逻辑推理的、自洽的模型或框架，用于描述某些自然事件的行为。理论通常会描述比假设更宽泛的自然行为，大量的假设可以通过一个理论将它们符合逻辑地结合在一起，理论成为解释各种其他假设的假设。在这种情况下，理论是根据与假设相同的大多数科学原理形成的。科学家可能会生成一个模型，试图用逻辑、物理或数学来描述或描绘一个观察结果，并生成可以通过实验来测试的新假设。
在进行实验以检验假设时，科学家可能无意识地会偏爱某种特定结果。消除这种偏见可以通过增加透明度、设计更严谨的实验方案以及对实验结果和结论进行彻底的同行评审等方式来实现。在一项实验的结果被宣布或发表后，独立的研究人员通常会仔细检查这项研究是如何进行的，并通过进行类似的实验来确定结果的可靠性。从整体上看，科学方法允许高度创造性地解决问题，同时能够最大限度地减少主观偏见或确认偏差带来的影响。主体间可验证性，即达成共识和复制结果的能力，是所有科学知识创造的基础。
“技术”一词，在英文中对应“technics”“technique”和“technology”，在德语中对应“technik”和“technologie”，在法语中则对应“technique”以及“technologie”，它们都来源于一个共同的希腊语单词“τέχνη”，这个单词具有“Art（艺术）、Craft（工艺）、Skill（技能）”的含义。
在希腊哲学中，对技术的本质进行过探讨。根据柏拉图的阐述，每一项技术中都包含承载着艺术的逻辑（Logoi），这个Logoi即用文字、语言和因果关系表达，而艺术想表达某种“深度”，这种深度通常指的是人类在获取、制作和创造物品的活动中表现出来的聪明才智，有时也存在“故弄玄虚”。柏拉图在作品中借苏格拉底之口，区分了两种类型的技术。一种是几乎不需要“刻意赋予理性”的体力劳动，如绘画和雕塑。另一种是需要消耗少量体力的“理性”活动，如算术、逻辑学、天文等。类似于做饭和游说这样的以经验和常识为基础的活动，被贴上了“非技术”的标签，依靠灵感的诗歌创作也被认为是非技术的。
柏拉图认为，人类的认知（Knowing）分为两类，一类涉及教育和修养，另一类涉及制作和生产。在涉及制作和生产的知识中，又可以分出两种类型，一类是在实践和经验的基础上仅通过猜测和直觉产生，如音乐、医药、农业等；另一类则需要有意识地使用编号、丈量、称重，往往具有更高的正确性和精确度。柏拉图之后的亚里士多德也在作品中对技术的本质进行了大量讨论。欧洲在经历了漫长的中世纪之后，直至16世纪到18世纪，一些修辞学家、宗教神学家的笔下开始出现“技术”的同义词。
德国的约翰·贝克曼在1777年出版的《技术学指南》一书中，首次将“技术”发展为系统描述工艺作品和工业技艺的学科。书中将工艺作品和工业生产作为“技术学”的两个分支。贝克曼力图通过创造一个相当于动物学和植物学中的“林奈系统”的分类计划，使技术学成为一门正规的学科，但他失败了。在当时，工业革命方兴未艾，人类的工业和技术即将进入狂飙式发展的时代，在之后不到三百年的时间里，涌现出了数以千计的技术发明，仅依托旧时代的知识基础，贝克曼当然不可能对尚未出现的技术发明进行分类。在半个世纪后，美国的雅各布·比奇洛出版了《技术的要素：实用艺术科学的应用》一书，这是英语作品标题中第一次用到“技术（Technology）”一词。技术更有意义的用法出现在1861年，当时在美国建立了一所新的工程学院——麻省理工学院（简称为MIT），其校名中使用了Technology。
然而，德国的工程师和实业家更注重的是“工艺技术（Technik）”。19世纪下半叶，德国迅速实现了工业化，其工业的重要基础是新兴的、科学导向的行业。需要通过工程学的教育来培养在这些行业解决问题的工程师，而不是百科全书式的管理员。工艺技术一词起初表示用于实现特定目的的实际规则和方法，这在某种意义上类似于画家或音乐家的技巧。到了19世纪中叶，工艺技术已经与工业生产紧密相关。在狭义上，工艺技术一词限定在与工业相关的物质资料方面，在广义上，它则包括了实现任何目标的规则、程序与技巧。因此，表达工艺技术的德语词汇Technik也常被翻译成“工程、工程科学、技术科学”等。
到了20世纪60年代，在科学家和工程师群体中使用的技术一词已经合并了各种语义，例如，用于指示物品（主要是人造产品和装置，较少指结构）、过程（将劳动者技能转化为生产、运输、通信等服务的系统与网络）、知识（如何制造和使用物品，以及相关过程）等。
科学家和工程师都可以将技术视为应用科学。从科学家的视角出发，技术是对科学成果的采用，并把它们转化为在结构、产品、过程或系统的设计与创作方面可供利用的形式；从工程师的视角出发，技术是采用并适应了科学的方法，并将传统的技能实践转化为更系统或科学的形式。比如麦克斯韦提出的“麦克斯韦电磁方程”为人类开发利用电磁效应奠定了理论基础，而工程师Oliver Heaviside将麦克斯韦电磁方程转换成一种工程师可用的形式，这同样是十分必要的工作。在两者的基础上，工程师设计了各种利用电磁效应的电信产品。
科学和技术相互促进。科学可以推动技术发展，体现在两个方面，一是为了解决科学问题产生了对新技术、新仪器的需求，二是科学可以展示以前没有考虑到的技术可能性。反过来，技术也可以推动科学研究，因为技术创造了只能通过科学研究才能产生的改进需求，同时新技术所依赖的基本原理往往促使科学家们对既有科学理论提出新的观点或质疑。在人类历史的大部分时间里，技术进步是偶然、反复试验或自发灵感的结果。现代科学事业在启蒙运动中成熟时，它主要关心的是自然的基本问题，而不是技术应用。直接面向技术应用的研究和开发是相对较新的事情，它随着工业革命而出现，在20世纪才变得司空见惯。
“工程”的词源是古拉丁语的“ingenera”，具有植入、生成、产生的含义。“工程师”一词起源于中世纪后期攻城槌、投石机以及其他战争机器的施工人员和操作者。到19世纪初期，工程师语义中的军事色彩依旧占首要地位，1828年版的《韦氏英语词典》将工程师定义为“熟练掌握数学和力学，制订进攻或防御工事的规划，并标记城防工事范围的人”。
自古以来，“建筑师”是用来指示在民用领域进行规划和设计的人，早在公元前1世纪出版的《建筑十书》中就论述了城市规划、建筑材料选择、美学原理、一般施工策略、液压系统、几何学、力学等。在工业革命时期的英国出现了“土木工程师（Civil Engineer）”一词，用来指示设计、施工及维护道路、桥梁、给排水系统、铁路等交通及市政设施的人。1828年制订的英国皇家土木工程师协会章程将工程定义为“一种引导自然资源这一伟大力量为人类所用的艺术”。2002年版本的《韦氏英语词典》将工程定义为“通过应用数学与科学使自然界的物质属性及能源变得对人类有用”。2007年版本的《麦格劳·希尔科技大词典》将工程定义为“引导伟大的自然力量为人类所用创造便利的艺术”。
在通用的定义之外，许多工程师强调工程的本质是面向效率的设计。工程先生成结构、设备及系统的概念，再进行设计，从而以一种优化的方式应对特定的状况。正是对效率与经济性的追求将“陶瓷工程与制作陶器”“纺织工程与织布”“农业工程与干农活”等前后者区分开来，从广义上讲，工程的本质就是设计或规划一个能够有效解决问题或满足需求的设备、过程及系统。
在很多领域，对设备、过程及系统进行操作也是非常复杂的，尤其是在自动化水平不够高的情况下，这种操作的复杂性会更加凸显出来。有的时候也会将操作员称为工程师，比如铁道工程师、电力工程师之类。这些操作工程师运用的是技能而不是任何系统化的知识体系。
在严格的定义中，工程被界定为拥有“设计各种结构、过程及系统的系统化知识”的专业，是一个涉及纯科学及数学、应用或工程科学（例如材料强度、热力学、电磁学）的专业，是一个旨在满足社会效用的专业。
还有一种更保守或更严谨的定义，将工程视作专业或职业，而不是艺术或知识，该定义认为，工程学可以用来区分那些被称为工程师的自组织专业共同体，是对专业领域的界定。这个想法体现在加拿大工程资格委员会的定义中，认为专业工程实践是指在任何需要应用工程原则并涉及保护生命、健康、财产、经济利益、公共福祉或环境的任何规划、设计、组合、评估、建言、报告、指导、监理、管理等行为。专业工程师的专业性是在自组织的专业共同体中体现的，这种专业共同体的共识基础是：都拥有特定的知识，都承诺以特定的方式运用知识。
工程的目标是各种人造物（最终产品），工程科学是各种自然效应及其规律的知识体系，而工程技术则是通过应用工程科学实现工程的目标。工程科学与工程技术的内涵有“更接近系统化知识与科学”与“更接近具体问题和实物”的差异。
工程需要在严格的约束下解决问题。科学知识从根本上讲是“解释性”的，而技术开发是“面向行为”的。科学关注的是理解现状，而技术关注的是未来实现。从历史发展看，技术创新往往是在科学知识的边缘进行的，大多数技术都不是来自科学知识，而是来自工程、技术迭代或偶然发现。例如20世纪40年代和50年代，在湍流燃烧及流体动力学的理论知识尚未成熟时，喷气发动机就已经通过“运行设备直至损坏、分析损坏原因、重复前面的过程”的方式被发明出来了。科学解释常常伴随技术的发展，而非领先于技术的发展。
工程科学是基础科学理论应用于工程后形成的学科性知识体系，不针对特定工程对象。而工程技术则与特定工程对象相关，是围绕工程对象的全生命周期活动建立的。工程科学与工程技术相互交叉，共同服务于工程活动的五个方面：聚焦于人造物；关注设计实践；利用“受限制的理想化”模型；使用经过专业分类的价值判断指标体系进行评估；不追求精确的数学解而倾向于追求（一定精度范围内的）近似解。
如图2-1所示，现代工程是工程科学与工程技术相互交叉运作的复杂体系，因此，现代工程能够设计与建造非常先进、高端、复杂的技术系统。以航空工程为例，作为其主要工程对象的各类飞行器，在工作时需要承受非常苛刻的工况，如由流场压力与温度的剧烈变化引起的作用于飞行器结构的复杂载荷谱。因此，现代先进飞行器都是各类工程科学与各种工程技术的综合产物，包括空气动力学、航空推进技术、航空电子、飞行控制、导航与通信、材料科学、结构分析和制造等。航空工程不仅要研究飞行器的各种技术特性，包括雷达截面、流场、飞行轨迹/弹道/轨道、航空动力、飞行控制、飞行器结构、航空材料、强度与载荷、气动弹性、航电设备、航空软件、风险与可靠性、噪声控制与飞行声学、飞行试验与风洞试验、航空计算等，还要研究构成飞行器的所有，包括电源、传动、通信、热控制、环控、机体、动力在内的子系统集成，还要研究飞行器在其全生命周期的功能、性能、质量以及经济性。每个型号的飞行器都是多位专业工程师团队合作的成果。
图2-1 现代工程是工程科学与工程技术相互交叉运作的复杂体系