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天津大学数学系的前身创建于1946年北洋大学数学系，1946年至1952年北洋大学—天津大学数学系历经六年，招收了五届学生，毕业了三届。1952年全国高等学校院系调整工作，天津大学数学系并入南开大学数学系，1950年以后入学的学生随院系调整转入南开大学数学系。1952年院系调整后，原天津大学数学系留下来的教师与南开大学及津沽大学调入的教师与新分配来的1952年毕业的部分学生共24人组成数学教研室，负责全校各专业的高等数学与工程数学的教学工作。1959年底应用数学专业复建，设置在数学物理系。1976年10月十年之久的文化大革命结束，学校工作重点逐渐转移到教学和科研。1977年10月，经国务院批准教育部恢复大学入学的统一招生制度，下放到各系的教师陆续回到教研室。这次招生中，学校招收了本科四年制数学师资班60人。1979年开始招收“数学与应用数学”专业的理科本科生。这是继1959年历经近20年的时间，数学教研室又一次招收了数学专业的学生。

1983年由原来的基础科学系的数学教研室和应用数学教研室建成天津大学数学系。1993年应用数学硕士点建立。1997年学校将数学系、物理系和化学系组合成天津大学理学院。1998年运筹学与控制硕士点建立。为积极推动南开大学、天津大学的紧密合作，发挥两校优势，推动我国应用数学的研究，由陈省身提议经国家教育部批准的“南开大学、天津大学刘徽应用数学中心”于2001年4月15日成立。2003年基础数学硕士点建立。

为促进学科发展和科学进步，并将刘徽应用数学中心实体化，2012年8月18日天津大学应用数学中心成立。天津大学与滨海高新技术产业开发区管委会区共建应用数学产学研协同创新平台，天津大学与汉柏科技应建立天津大学-汉柏应用数学联合实验室。中心采用产学研相结合的模式，开展以问题为趋动的数字研究，服务于国家和区域产业发展的需求。

经天津市政府批准，2014年3月1日天津应用数学中心成立，依托天津大学，成为继北京国际数学研究中心、上海数学中心之后第三个以省市命名、设在高校的数学中心。天津应用数学中心是天津大学设立的学术特区。中心以"高起点、高水平、高效率"为原则，探索建立开放、有活力、可持续的体制机制和运行模式，面向国家需求，在应用数学前沿领域开展研究，并推动研究成果的产业化。

2016年11月13日，饱含着天津大学立足实现“世界一流大学”目标的新希冀，天津大学数学学院成立。新成立的数学学院依托数学学科进行规划建设。理学院数学学科相关专业、机构、师生等整体划入数学学院，天津大学应用数学中心整建制划入数学学院。天大人在追逐“有一个强大的理科”的圆梦之旅中又迈出了实质性的关键一步。