هندسة نظم الآلات تستخدم العديد من النظريات لتحليل وتصميم الأنظمة الآلية، ومن أهم هذه النظريات:
1- نظرية التحكم: وتشمل تصميم وتحليل الأنظمة الأتمتة والمنظومات التحكمية.
2- نظرية الديناميكا الحرارية: وتختص بدراسة تفاعل الأنظمة مع الحرارة، وتستخدم في تصميم المكيفات والأجهزة المبردة.
3- نظرية الديناميكا الحركية: وتتعلق بدراسة تحرك الأجسام والأنظمة الآلية وتطبيقاتها في صناعات السيارات والطائرات والآلات الثقيلة.
4- نظرية الكهرومغناطيسية: وتستخدم في تصميم وتحليل الأنظمة الكهربائية والإلكترونية، وتطبيقاتها في الأجهزة الإلكترونية والإنتاج الكهربائي.
5- نظرية الميكانيكا التحليلية: وتستخدم لدراسة ميكانيكا الأجسام الصلبة وتحليلها، وتطبيقاتها في صناعات السيارات والطائرات والآلات الثقيلة.