1917年11月、三井物産は宇野仮工場で造船部を立ち上げ、これが三井造船の起点となった。1919年5月に玉工場（現玉野事業所）で操業を開始し、瀬戸内海沿岸の造船拠点として規模を広げた。1926年8月にはデンマークのBurmeister & Wain社（現Everllence SE）とB&W型舶用ディーゼル機関の技術提携を結び、これが舶用エンジン事業の長期的な技術基盤となった。1937年7月に三井物産から分離独立して株式会社玉造船所を設立、1942年1月に三井造船株式会社へ商号変更した。1949年5月には東京・大阪の証券取引所に株式上場を果たし、戦前期の造船重工として法人独立と資本市場参入を立て続けに完了させた。

戦後復興と高度成長期に入り、千葉造船所の建設で建造能力を一段引き上げた。1962年5月に千葉工場が操業を開始し、1965年10月には15万重量屯ドック、1968年6月には50万重量屯ドックが完成、VLCC（超大型原油タンカー）建造能力を獲得した。1967年10月に株式会社藤永田造船所と合併（資本金1,949百万円）して造船規模をさらに拡大し、1973年4月の由良工場操業開始、1975年2月の玉野造船所海洋構造物建造ドック完成と続いた。1981年10月には大分事業所が操業を開始し、瀬戸内・関東・九州にまたがる多拠点造船ネットワークが整った。三井造船は1960年代から1970年代までに、商船・タンカーを中心とする造船重工としての基本構造を完成させた。

1970年代後半から1980年代にかけて、本業の造船で得た技術と現場経験を周辺領域へ広げる多角化が進んだ。1978年6月に昭島研究所を開設（1986年に三井造船昭島研究所として子会社化）し、流体・構造解析の基礎研究拠点を整備した。1985年10月に三造環境サービスを設立して環境エンジニアリングへ踏み込み、1987年6月には三井造船プラント工事を設立してプラントエンジニアリング事業の母体を作った。同時期、1988年10月には大分・由良の両子会社化と並行して三井物産と共同でPACECO CORP.を設立し、米国市場でのコンテナクレーン事業の起点を作った。

1988年12月、株式会社モデック（2003年に三井海洋開発へ改称）に経営参加した判断は、その後30年以上にわたる海洋FPSO事業（浮体式生産貯蔵積出設備）の起点となった。FPSOは深海油田開発の中核設備で、ブラジル沖や西アフリカ沖の海底油田を陸上タンカーへ接続する大型構造物の運用ビジネスである。三井造船の造船技術と海洋構造物建造ノウハウが、本業の造船とは異なるリース・運用型の収益モデルに移し替わった事例で、後年の連結セグメント構造において船舶部門と並ぶ主力に育つ伏線となった。1989年12月には英国のBurmeister & Wain Scandinavian Contractor A/Sを買収してプラント技術を獲得し、1995年9月には英国Babcock Energy Limitedを買収してMitsui Babcock Energyとして欧州ボイラ事業へ進出した。海洋・プラント・舶用エンジン・運搬機・環境の複合事業体としての三井造船の姿は、1980年代後半から1990年代前半にかけて段階的に形成された。

1990年代以降、円高と中国・韓国造船所の台頭で日本造船業の競争環境は急速に厳しくなった。三井造船の連結売上は2002年3月期4,573億円から2010年3月期7,659億円までは緩やかに増加し、2010年3月期経常利益420億円・親会社株主帰属純利益197億円のピークを記録したが、その背後では商船セグメントの収益力が継続的に低下しつつあった。リーマンショック後の海運不況とコンテナ船・バルク船の発注減で、商船建造の損益分岐点を維持することが構造的に難しくなっていく。2006年12月にはMitsui Babcock Energy（英国ボイラ事業）を売却し、欧州事業の整理を始めた。2002年1月に三井造船鉄構工事が三造リフレ・運搬機エンジニアリング2社と合併、2003年4月には新潟造船が新潟鐵工所から造船事業を譲受し、グループ内の事業再編が断続的に進んだ。

2014年3月、昭和飛行機工業を公開買付けで連結子会社化する大型M&Aを実行した。航空機部品・トラックメーカー・物流関連の総合事業を持つ昭和飛行機を取り込み、機械・システム事業の周辺へ広げる戦略だったが、後年（2020年3月）に全株式を売却することになる。2015年10月にはドイツのTGE Marine AGを連結子会社化（2016年10月にMES Germanyと合併）してLNG関連の欧州拠点を確保、2017年3月には加地テックを公開買付けで連結子会社化して圧縮機事業を強化した。M&Aによる事業ポートフォリオの組み替えが続く一方、本業の商船建造は2010年代半ばまでに恒常的な赤字基調へ転落していった。連結営業利益はFY16（2017年3月期）83億円から、FY17（2018年3月期）には▲52億円・親会社株主帰属純利益▲101億円と、連結ベースで初の通期赤字を記録した。

2017年5月、持株会社体制への移行のため船舶艦艇・機械システム・エンジニアリングの事業会社3社の準備会社を設立し、2018年4月に正式に持株会社体制へ移行、商号を三井E&Sホールディングスに変更した。各事業会社（三井E&S造船・三井E&Sマシナリー・三井E&Sエンジニアリング）に事業を承継させ、HD側はガバナンス・財務・全社戦略に専念する体制へ移行した。グループ構造刷新の狙いは、商船セグメントの不採算事業を本体から切り離して個別事業会社の収益責任を明確化することにあった。

しかし持株会社化の直後、エンジニアリング事業で大型損失が発生した。インドネシア火力発電所・PT Tanjung Jati Bを含む海外プラント案件の工事損失引当金計上で、エンジニアリングセグメントの営業損失はFY18（2019年3月期）▲797億円、連結営業損失▲597億円・親会社株主帰属純利益▲696億円という創業以来最大規模の赤字を計上した。FY19（2020年3月期）も連結営業損失▲621億円・純損失▲862億円と2期連続で巨額赤字が続き、連結純資産はFY17（2018年3月期）2,394億円からFY19（2020年3月期）646億円へ4分の1水準まで毀損した。1917年の創業以来の経営危機が、持株会社移行の直後に表面化した。

巨額赤字の構造原因は、商船セグメントの恒常的損失と海外プラント案件の工事損失引当金にあり、本体の資本毀損を止めるには赤字事業からの撤退と海外事業の整理が同時並行で必要だった。2019年12月にEngineers and Constructors International全株式を売却して米国EPC事業を整理し、2020年3月に昭和飛行機工業の全株を売却（2014年の連結子会社化からわずか6年での撤退）、同時に三井E&Sプラントエンジニアリングも売却した。2020年10月には三井E&S鉄構エンジニアリング株式70%を譲渡し、鉄構事業をグループ外へ出した。一連の事業売却で2014年以降のM&Aで広げた事業領域を絞り込み、コア事業への集中を進めた。

2021年3月には千葉事業所での新造船事業を終了し、2021年10月には三井E&S造船株式49%を常石造船へ譲渡すると同時に艦艇事業を三菱重工へ譲渡、玉野事業所の新造船を終了した。船舶部門は1917年の創業以来100年間続いた本業だったが、商船市況の構造的悪化と海外造船所との競争激化のなかで、自力での事業継続が困難と判断された。2022年10月には三井E&S造船株式17%を追加譲渡して持分法適用会社化、2025年4月には常石造船との間で三井E&S造船株式譲渡合意書を締結し、造船事業からの完全撤退の布石を打った。連結セグメントから「船舶」「海洋開発」「エンジニアリング」が消え、FY22（2023年3月期）以降は「舶用推進システム」「物流システム」「成長事業推進」「周辺サービス」の4区分構成に再編された。

2023年4月、IHI原動機の舶用大型エンジン事業を承継した新会社を取得し、三井E&S DUに改称した。1926年のB&W技術提携から続く舶用ディーゼル機関の事業基盤に、IHIの大型エンジン事業を加える形で、世界市場での舶用エンジン分野におけるポジションを強化した。同時期にグループ内の三井E&Sマシナリー・三井E&Sビジネスサービスを吸収合併し、商号を三井E&Sに変更（HDの「ホールディングス」を外す）してグループ構造を再構築した。2023年6月には監査役会設置会社から監査等委員会設置会社へ移行し、ガバナンス体制を刷新した。

舶用エンジンと物流システム（コンテナクレーン・港湾荷役機械）への事業集中は、財務面でも明確な成果として表れた。連結売上はFY21（2022年3月期）5,794億円からFY22（2023年3月期）2,623億円へ半減したが、これは造船セグメントの持分法適用化に伴う売上の連結除外が主因で、本業の収益力は逆に大きく改善した。FY22以降の連結営業利益はFY22 94億円・FY23 196億円・FY24 231億円と3期連続で増加し、営業利益率はFY22 3.6%・FY23 6.5%・FY24 7.3%へ上昇した。FY24（2025年3月期）の親会社株主帰属純利益は391億円となり、本体の純資産はFY19（2020年3月期）の646億円からFY24（2025年3月期）1,699億円へ約2.6倍に回復した。1917年の創業から107年で、商船造船重工から舶用エンジン・物流システム企業へと事業構造を入れ替える長期的な経営転換が、財務指標の改善として可視化された段階にある。

三井Ｅ＆Ｓの100年余の歴史は、商船造船の黄金期・多角化の拡張・構造不況・大規模赤字・コア事業特化という5段階で構成されている。1980年代後半に米国コンテナクレーン事業（PACECO買収）と海洋FPSO事業（モデック買収）に踏み込んだ判断は、本業の商船建造が衰退する局面で連結利益を支える周辺事業の伏線として効いた。一方、2014年の昭和飛行機買収を含む2010年代のM&Aで広げた事業領域は、FY18の巨額赤字を境に大半が売却・撤退の対象となった。1917年の創業以来続いた船舶部門を切り離し、舶用エンジンと物流システム（コンテナクレーン）へ特化した現在の事業構造は、本業を捨てて伏線を主役に据える経営判断の極端な事例として、日本造船重工史のなかでも特異な事例となっている。