古代機械工程是指18世紀歐洲工業革命之前人類創造和使用機械的曆史。機械始於工具，工具是簡單的機械。人類最初製造的工具是石刀、石斧和石錘。現代各種複雜精密的機械都是從古代簡單的工具逐步發展而來的。古代由於交通不便，文化交流很少，世界上幾個基本獨立的文化區域，如東亞和南亞、西亞和歐洲的機械發展情況各不相同。如中國古代機械起源早，發展較快，在13～14世紀曾居世界前列，是獨立發展的，與其他地區聯係不多。
一、遠古到公元前600年西亞和古埃及地區的機械工程公元前3000年以前（史前期），人類已廣泛使用石製和骨製的工具。搬運重物的工具有滾子、撬棒和滑橇等，如古埃及建造金字塔時就已使用這類工具。公元前3500年左右，古巴比倫的蘇美爾已有了帶輪的車，是在橇板下麵裝上輪子而成。史前期的重要工具有弓形鑽和製陶器用的轉台。弓形鑽由燧石鑽頭、鑽杆、窩座和弓弦等組成。往複拉動弓便可使鑽杆轉動，用來鑽孔、擴孔和取火。弓形鑽後來又發展成為弓形車床，成為更有效的工具。
埃及第三至第六王朝（約公元前2686～前2181年）的早期，開始將牛拉的原始木犁和金屬鐮刀用於農業。銅製工具的製造多用鍛打法。約公元前2500年，歐亞之間地區就曾使用兩輪和四輪的木質馬車。埃及古代墓葬中曾發現公元前1500年前後的兩輪戰車。敘利亞在公元前1200年製造了磨穀子用的手磨。
在建築和裝運物料過程中，已使用了杠杆、繩索、滾棒和水平槽等簡單工具。滑輪最早出現於公元前8世紀，亞述人用作城堡上的放箭機構。絞盤最初用在礦井中提取礦砂和從水井中提水。這時，埃及的水鍾、虹吸管、鼓風箱和活塞式唧筒等流體機械也得到初步的發展和應用。
二、公元前600～公元前400年古希臘和羅馬地區的機械工程這一階段稱為古典文化時期。在古希臘誕生了一些著名的哲學家和科學家。他們對古代機械的發展作出了傑出的貢獻。如學者希羅關於5種簡單機械（杠杆、尖劈、滑輪、輪與軸、螺紋）推動重物的理論，至今仍有意義。這一時期木工工具有了很大改進，除木工常用的成套工具如斧、弓形鋸、弓形鑽、鏟和鑿外，還發展了球形鑽、能拔鐵釘的羊角錘、伐木用的雙人鋸等。廣泛使用的還有長軸車床和腳踏車床，用來製造家具和車輪輻條。腳踏車床一直延用到中世紀，為近代車床的發展奠定了基礎。
衝製錢幣是這一時期金屬加工方麵的一大成就，是現代成批生產技術的萌芽。但隨著羅馬帝國的滅亡，這種技術失傳了幾百年。
約在公元前1世紀，古希臘人在手磨的基礎上製成了石輪磨。這是機械和機器方麵的一個進展。約在同時，古羅馬也發展了驢拉磨和類似的石輪磨。
齒輪係在歐洲最早的應用是裝在戰車的記錄行車裏程的裏程計上。杠杆原理在機械上的應用此時已較普遍，如用在建築上起吊重物的滑車和複式滑車。馬車和戰車也有了改進。
流體機械和動力機械方麵的發展是：首先擴大了桔槔式提水工具和吊桶式水車的使用範圍；新創造的流體機械有渦形輪和諾斯（Norse）水磨。前者靠轉動螺紋形杆，將水由低處提到高處，主要用於羅馬城市的供水。後者用來磨穀物，靠水流推動方葉輪而轉動，其功率不到半馬力。功率較大的有維特魯維亞（Vitruvia）水磨。水輪靠下衝的水流推動，通過適當選擇大小齒輪的齒數就可調整水磨的轉速，其功率約3馬力，後來提高到50馬力，成為當時功率最大的原動機。
利用活塞和氣缸製成的壓力泵和吸水泵，在此時期也有發展。最早出現的是用來滅火的菲羅（Philo）壓力泵。後來又有了從井中提水的吸水泵和壓力泵，以及羅馬人用於滅火的雙筒柱塞泵。
熱力機械這時主要是作為希臘學者和哲學家們的玩物而出現的。公元1世紀，希羅的汽轉球（又叫風神輪）就是一例。汽轉球下部的蒸鍋盛水，其上用支管連接著一隻空心球。球上有兩支方向相反的切向噴口。當鍋下燒火、球內的水沸騰變成蒸汽噴出時，如產生的噴氣反作用推力足夠大，便會推動球體不斷轉動。汽轉球作為第一個把蒸汽壓力轉化為機械動力的裝置而聞名於世。它也許是最早應用噴氣反作用原理的裝置。