기계 분야의 연구를 위해 설치된 정부출연 연구기관으로 과학기술정보통신부 산하 국가과학기술연구회 소관 기관이다.
기계 분야의 연구 개발 및 성과확산, 신뢰성 평가, 시험평가 등을 통해 국가 및 산업계의 발전에 기여한다.
1976년 12월 기계 및 금속 공업 분야의 기술향상을 위해 경상남도 창원에 한국기계금속시험연구소가 설립되었다. 1979년 한국정밀기기센터를 흡수 · 통합했으며, 1981년 한국선박연구소와 통합되어 한국기계연구소로 새롭게 발족하였다. 1989년 부설 해사기술연구소와 부설 항공우주연구소를 설립하는 한편 기업기술지원센터와 기술훈련원은 한국생산기술연구원으로 분리 · 이관하였다.
1992년 한국기계연구원으로 개칭하고 본원을 창원에서 대덕으로 이전하였으며, 곧이어 부설 해사기술연구소를 선박 · 해양공학연구센터로, 창원 분사무소를 창원 분원으로 개편하였다. 1996년 부설 항공우주연구소가 독립했으며, 1999년 선박 · 해양공학연구센터도 한국해양연구소로 이관시켰다. 2007년 창원분원을 첨단재료분야 및 시험평가분야 특성화기지로 발전시키기 위해 부설 재료연구소로 개칭했으며, 2017년 과학기술정보통신부 산하 국가과학기술연구회 소관이 되었다.
연구원의 주요기능은 연구개발 및 기획 기능, 신뢰성 및 시험평가 기능, 기술이전 및 지원 기능 등으로 나눌 수 있다. 연구 기능은 국가 아젠다 실현 및 국가 신성장동력 육성을 위한 원천기술을 개발하고 국가 차원에서 확보해야 할 기계기술의 예측 및 기획을 포함한다. 시험평가 기능은 연구개발 활동과 연계된 신기술 및 주력 기간산업의 신뢰성 및 공인시험평가와 평가관련 기술개발 및 규격 개발 · 보급을 의미한다. 기술지원 기능은 보유기술의 산업체 이전 및 실용화 지원, 기계분야 중소 · 중견기업 기술지원, 창업보육 및 기술기반 구축 지원 등이 중심이다.
연구소의 대표적인 연구성과로, 메탈 · 베어링 국산화개발, 장거리수송용 화학열파이프 개발, 조선소 생산관리체제 개발 및 보급, 소형어선 근대화, 나일론지퍼 성형용 다이휠 개발, 자기부상열차 개발, 비구면 가공용 초정밀가공기 개발, 원격 무인잠수정 개발, 다양한 차세대소재성형기술 개발, 크롬도금공정 개발, 기록보존 전용 디지털 스캐너 개발 등을 들 수 있다.
2018년 정원 기준 412명이 근무 중이다. 첨단생산장비연구본부, 에너지기계연구본부, 나노융합기계연구본부, 환경시스템연구본부, 기계시스템안전연구본부 등 5개 연구본부와 대구융합기술연구센터, 부산기계기술연구센터, 김해LNG · 극저온기계기술 시험인증센터 등 3개의 지역센터를 운영하고 있으며, 경상남도 창원시에 부설 재료연구소가 있다.
연구원은 기계산업의 수준 향상에 필요한 연구개발과 인력 양성에 큰 역할을 하였다.