明代前期，我国机械工程技术依然保持着较高的水平，这集中地反映于宋应星所撰《天工开物》中有《乃粒》、《粹精》、《甘嗜》、《膏液》、《乃服》、《冶铸》、《锤锻》、《舟车》、《佳兵》诸篇有关各类机械、机械制造工艺的记述中。诸如以性能良好，功效卓越著称的连机水碓和活塞式风箱；失蜡铸造、锻焊、生铁淋口、渗碳热处理等先进而实用的技艺，都在中国古代机械发明史上占有重要的地位。又如造糖车（即双辊式压榨机）和利用尖劈原理工作的油榨，以其构造简单、效率较高且坚牢可靠，直至近代仍广为使用。
《天工开物》所载纺织机械中的缫车和赶车（双辊式脱棉机械）也都很有特色，在促进纺织业发展中起着重要作用。特别是其中的提花机为古文献中最具体完整的记载，原文称：“凡花机通身度长一丈六尺，隆起花楼，中托衢盘，下垂衢脚。……提花小厮坐花楼架木上。机末以的杠卷丝，中用叠肋木两枝，直穿二木，约四尺长，其尖插于筘两头。”著名的云锦、蜀锦都是用这类花机织成的。在提花技术中，结花本尤为复杂，起着关键的作用。通过结花本，使成千上万根经线，按设计图案的要求，有规则地交互上下提综，几十种结线有序地横穿排列，从而构成一整套花纹记忆装置。结好花本，上机起织，织工和挽花工相互配合，就能织出合乎设计要求的复杂图案与纹饰。这在技术思想上是非常卓越的，其进一步发展便是其后出现的打孔操作以及现代的程序控制。
明初詹希元所创五轮沙漏，见于《明史·天文志》：“［詹希元］以水漏至严寒水冻辄不能行，故以沙代水。然沙行太疾，未协天运，乃以斗轮之外复加四轮，轮皆三十六齿。”在宋濂《宋学士文集·五轮沙漏铭》一文中，对沙漏的形制、轮系的配制有更详细的记载。《明史·天文志》又载：“厥后周述学病其窍太小而沙易堙，乃更制为六轮。其五轮悉三十齿，而微裕其窍，运行始与晷协。”周述学对五轮沙漏做了改进。以沙代替水作为传递运动的介质，这一构思颇为巧妙，而其齿轮系的结构方式也已和其后的西洋时钟轮系相近似。
明代中叶以后，随着近代科学技术在西方的兴起，以达·芬奇（Leonardo da Vinci，1452—1519）等人为代表，在机械设计及工程应用等方面，已明显突破传统从而使中国传统机械工程技术相形见绌。在此期间，一些有识之士开始向西方的先进科学技术学习。在机械工程方面，徐光启于万历四十年（1612）与传教士熊三拔（S.de Ursis）合译《泰西水法》一书，介绍西洋水利工程作法与各种水利机械，可称开风气之先。而成就最卓著的允推王徵。他在天启六年（1626）进京，与邓玉函（Johann Terrenz），汤若望（J. A. S. von Bell）等传教士交游。在西方输入的自鸣钟等机械装置的影响下，王徵曾创制虹吸、轮壶、代耕器、自转磨等机械。其中，轮壶是以重力为动力的计时器，所设 “十字微机”这一构件相当于现代钟表中的擒纵器，可使齿轮运转速度变慢和防止倒转。他还设计了自动启闭的闸门和十矢连弩等，载于自撰的《新制诸器图说》一书中。由邓玉函口授，王徵笔译并绘图的三卷本《远西奇器图说》于天启十年（1627）刊印。此书首次系统介绍了该时期西方的先进机械工程技术知识，包括曲柄连杆、链轮、齿轮系、蜗轮蜗杆、飞轮等机构，以及人力、畜力、风力、重力的应用等。但由于当时中国的社会情况和时势变迁，除时钟外，该时期传入的西方机械及有关工程技术并未引起重视，更乏人继续予以介绍、引进及传播。
此外，汤若望为明末徐光启主持修历工作时的重要成员，曾主持制作浑仪、天球仪等天文仪器。崇祯九年（1636），他奉旨设厂铸炮，铸成大炮二十门，可发射重四十磅的炮弹。这些，对该时期机械工程技术的发展也起到一定的作用。