Thực hiện chủ trương “bảo đảm kết hợp giữa viện nghiên cứu và trường đại học, gắn nghiên cứu -triển khai với sản xuất -kinh doanh” của Đảng và Nhà nước, ngay từ giai đoạn đầu khi mới thành lập, Khoa Cơ học kỹ thuật và Tự động hóa đã coi hoạt động liên kết ở trình độ cao với các viện nghiên cứu là một đặc thù, một nhân tố quan trọng trong xây dựng và phát triển. Có thể nói, Khoa CHKT&TĐH là một mô hình mới, điển hình của sự hợp tác Trường đại học + Viện nghiên cứu + Tập đoàn công nghiệp trong lĩnh vực đào tạo và NCKH. Đặc điểm nổi bật nhất của mô hình này là: Tổ chức và quản lý theo hình thức vừa tập trung vừa phân tán cả về con người lẫn cơ sở vật chất.
Hiện nay, bằng mô hình “Khoa phối thuộc” và hoạt động với mục đích đào tạo theo nhu cầu xã hội, Khoa đang hợp tác chặt chẽ với các viện nghiên cứu thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam gồm Viện Cơ học, Viện Công nghệ Hàng không – Vũ trụ, Viện Công nghệ Môi trường, Trung tâm Vệ tinh Quốc gia; với các viện nghiên cứu thuộc Bộ Công Thương gồm: Viện Máy và Dụng cụ Công nghiệp (Tập đoàn IMI), Viện Điện tử -Tin học -Tự động hóa, Viện nghiên cứu Cơ khí để triển khai các hoạt động đào tạo và nghiên cứu.
Cùng với việc xác lập các hợp tác chiến lược, bền vững với Viện nghiên cứu, Khoa luôn coi trọng, đánh giá cao và chủ trương mở rộng các hợp tác với doanh nghiệp nhằm tăng cường sự gắn kết, đồng hành của doanh nghiệp nhất là trong việc tham gia ý kiến về chương trình đào tạo, phối hợp hướng dẫn chuyên môn cho sinh viên,…
Trong hoạt động hợp tác quốc tế, hiện nay Khoa có sự hợp tác với Quỹ Phát triển Hợp tác Quốc tế về Khoa học Công nghệ Hàn Quốc (KICOS) về trao đổi nhân lực. Đã có 2 chuyên gia Hàn Quốc của KICOS tới làm việc tại Khoa CHKT & TĐH.
Ngoài ra, Khoa còn hợp tác với nhiều cơ sở đào tạo nước ngoài trong đào tạo và nghiên cứu khoa học như ĐH Bách khoa Paris, ĐH Marseille, ĐH Caen (CH Pháp), ĐH tổng hợp Standford (Mỹ); ĐH Hanover, ĐH Tổng hợp Ilmenau, Viện Cơ điện tử (CHLB Đức); ĐH Osaka, ĐH Tokyo (Nhật); ĐH Seoul, ĐH Pusan, ĐH Pohang (Hàn quốc), ĐH Yuan Ze (Đài Loan) v.v…
Hiện Khoa đang tích cực mở rộng quan hệ với đại diện những tập đoàn Hàn Quốc lớn đang đầu tư vào Việt Nam như: tập đoàn LG, tập đoàn Samsung, tập đoàn VIDAMCo, tập đoàn Hyundai… và đều đạt được những kết quả tốt.