清华附小的前身是“成志学校”。成立于1915年，专为清华教职员工子弟求学而设，清华大学冯友兰、朱自清、叶企孙、马约翰、潘光旦等著名教授都曾在成志学校先后被委任校董事会成员。诺贝尔物理学奖获得者杨振宁博士曾在这里学习过。
1937年抗日战争爆发，清华大学被迫南迁，成志学校随之南迁，在西南联大度过了艰苦的岁月。1946年秋，清华大学由昆明迁回清华园内，1946年12月12日成志学校复校开学。
1952年8月，成志学校中学部和小学部分离，成志学校小学部则更名为清华大学附设小学。1960年，正式更名为清华大学附属小学。
2002年，学校提出了“立人为本、成志于学”的校训，确定了“为聪慧与高尚的人生奠基”的办学理念。在教学改革方面，推广全国著名特级教师、时任学校副校长窦桂梅提出为生命奠基的教学理念，并提倡“三个超越”：即学好教材、超越教材；立足课堂、超越课堂；尊重教师、超越教师。
在一代又一代校长老师的共同努力下，附小得到了长足发展。2010年11月，窦桂梅担任清华附小校长，党总支书记。清华附小步入全面开放、快速发展时期，学校逐步迈向卓越。