1949年3月、前身となる東京精密工具株式会社が資本金160万円で設立された。設立当初の事業は、ミシン加工用の切削工具・精密部品・治具類の製作販売である。戦後復興期の日本では、米軍進駐に伴う繊維・縫製工業の急速な立ち上がりと、復興期の機械工業の再建が同時並行で進んでおり、ミシン加工・繊維機械向けの精密部品需要が高水準で安定して存在していた。創業期の同社はこうした周辺領域から事業を始め、加工精度を極限まで追い込む「切削工具屋」としての出自を持つ。創業数年で精密測定機器メーカーへと事業を組み替えていく転換点となるのが、1953年1月の「高圧流量式空気マイクロメータ」の日本初工業化である。空気流量を介して微小な寸法差を非接触で測定する空気マイクロメータは、当時の日本では学術研究レベルにとどまっており、工業製品として商業ベースで供給する企業は存在しなかった。

東京精密工具はこの空気マイクロメータの工業化に成功し、自動車・電機・精密機器など、ミクロン単位の寸法管理を必要とする産業に納入を始めた。続いて1957年10月には「差動変圧式電気マイクロメータ」の日本初工業化にも成功する。空気式に続く電気式の量産化で、同社は精密寸法測定機器の専業メーカーとしての位置取りをした。創業期の切削工具事業から、その工具を測る装置の事業へと、製品ヒエラルキーが一段上に組み替わった瞬間でもある。1962年4月には商号を東京精密工具から「東京精密」へと改称し、同年8月に東京証券取引所市場第二部に株式を上場する。創業から13年で資本市場へのデビューを果たし、戦後復興期の精密測定機器需要を取り込んだ事業立ち上げが、上場を経て外部資本の関与する企業形態へ移行した節目となった。

1963年12月に八王子工場第一期工事が完成し、1967年2月には第二期工事も完成して、東京西部の八王子に主力生産拠点を集約する体制が整った。1969年7月には茨城県土浦市に土浦工場第一期工事が完成し、八王子（東京西部）と土浦（北関東）の二極生産体制が成立する。八王子はマイクロメータ・電気マイクロメータなどの汎用精密測定機器、土浦は座標測定機（CMM = Coordinate Measuring Machine）を中心とする住み分けで、製品特性に応じた生産配置が次の20年にわたる生産インフラの基本となった。1971年1月に八王子工場本館が完成し、本社機能も含めた生産・管理の集約が一段進む。創業期の切削工具事業から始まった同社は、この時期までに精密測定機器の専業メーカーとしての形を固めることとなった。

1981年8月、土浦工場に三次元座標測定機（CMM）の専用工場が完成する。CMMはプローブで対象物の表面座標を測定し、立体形状を数値化する装置で、自動車エンジン部品・航空機部品・金型などの寸法検査に用いられる高付加価値機種である。日本国内ではミツトヨが先行していたが、東京精密は独自の機械構造とソフトウェアで差別化を図り、座標測定機事業の専用拠点を持つことで生産集中の効率を得た。1985年10月には子会社「トーセーシステムズ」を設立してソフトウェア開発機能を独立法人化、ハードウェアとソフトウェアの両輪体制を組織的に整える。1986年9月には東京証券取引所市場第一部銘柄に指定された。1962年の二部上場から24年を経ての一部昇格は、座標測定機事業の本格的な収益寄与によって市場規模が拡大局面に入った成熟企業としての評価が反映された節目である。

1989年は同社の海外展開元年となった年である。3月に西ドイツに TOKYO SEIMITSU EUROPE GmbH を設立して欧州拠点を構え、続いて10月には米国に TOKYO SEIMITSU AMERICA INC. を設立して米州拠点も立ち上げた。欧米2極に同年内に販売拠点を設置する展開は、当時の日本の精密機器メーカーとしては積極的な動きであり、現地のユーザー（自動車・電機メーカーの工場品質管理部門）への直販体制を確立する狙いを反映している。日米貿易摩擦期にあたり、北米市場で日本製の精密測定機器に対する関税圧力が高まる局面でもあり、現地法人化することで関税回避と現地サポート強化の両方を狙う構図でもあった。

1992年10月、米国の SILICON TECHNOLOGY CORPORATION（STC）を買収する。半導体ウェーハの加工装置を手がけるSTCの買収で、東京精密は精密測定機器事業に加えて半導体製造装置事業に本格進出した。創業から43年、空気マイクロメータの工業化から39年を経て、同社は精密測定機器（計測社）と半導体製造装置（半導体社）の2軸経営体制への入口に立った形となる。1989年の欧米拠点設立から3年でのSTC買収という展開は、海外販売網の確立と並行して海外生産能力も取り込む方針の表れで、以後の同社の経営史を決定づける戦略選択であった。当時の半導体製造装置市場は東京エレクトロン・アドバンテストらが先行する寡占構造で、後発の東京精密は北米企業の買収によって既存技術と顧客基盤を取り込む道を選んだ点が特徴的である。