2011年，基於對軍隊院校與地方高校各自特點的分析，清華大學與空軍啟動了對聯合培養飛行人才培養模式的探索實踐，首創飛行學員聯合培養途徑，採取「3+1，雙學位」模式。2013年，聯合培養飛行學員制度建立，「3+1、雙學籍、雙註冊」模式落實。「雙學籍」聯合培養飛行學員制度，開創了高等教育的歷史，也開創了飛行學員培養的歷史。飛行員由軍隊單一培養提升至軍民深度融合的聯合培養模式。
十年來，清華大學和空軍、海軍精誠合作，聯合培養工作穩步推進並不斷深入。他們的目標是培養能夠應對未來信息化戰爭、具有全球視野、全面素質和創新精神的高層次、高素質軍事飛行人才。緊密圍繞這一目標，清華大學與空軍、海軍共同探索，構建了「六個融合」的飛行學員聯合培養模式。
招生選拔工作是保障飛行學員培養質量的重要基礎。清華大學與空軍、海軍共同確定了聯合培養飛行學員招生理念：既考慮考生的高考成績，保證足夠的學習能力，更要充分考慮考生的飛行潛質，保證「出飛率」。因此，學校不斷優化選才機制，採取了高考成績、飛行體驗成績和心理品質成績綜合考察的錄取辦法。學員提前報到、提前檢驗飛行，飛行潛質不佳的學生，即使高考成績比較高，也無法進入聯合培養。
軍地共同制定培養計劃，設計和優化課程體系，組織實施教學。清華大學以「航空航天工程」為專業組織前三年的教學培養；空軍航空大學、海軍航空大學負責第四年的飛行理論及初教機訓練，並利用暑期進行跳傘、野外生存等專項訓練。空軍航空大學、海軍航空大學派駐清華大學的隊幹部負責軍政素質和體能訓練，確保學員保持軍人作風，提升軍人素養。
學校確定了飛行學員教學計劃的基本原則：即嚴格執行清華大學的培養標準，保持清華基礎課程原汁原味，在此基礎上主動適應未來戰爭的需求，調整優化教學計劃。面向未來信息化空戰的需要，在航空航天工程專業課程基礎上，航天航空學院創新開設航電理論基礎、雷達探測與對抗、飛機製作實踐等課程，強化通信、雷達、編程、動手實踐等環節，在三年內合理安排教學任務。課程實施效果得到空軍航空大學、海軍航空大學教員的一致認可。
身體素質是飛行員的職業基礎，是第一任職能力的基本要求。軍地共同探索，改革優化體能素質的教育模式與訓練方法，形成了完整的訓練體系和考核制度。專門為飛行學員開設航空體育課程，學員隊負責課外體能訓練。在清華學習訓練三年後，聯合培養飛行學員的體能素質基本達到空軍航空大學、海軍航空大學的各項體能標準，在定向越野等專項上相比本部學員還具有一定優勢。
提升綜合素質，特別是指揮領導能力，是飛行學員聯合培養目標與特色之一。學校強調思想素質、業務素質、文化素質、身體素質、心理素質齊頭並進，學員們積極參加團委、學生會以及體育文藝社團，大家在各種崗位上實踐鍛鍊，綜合素質與領導力得到了有效提升。
清華大學國防教育與人才培養辦公室、航天航空學院與空軍航空大學、海軍航空大學駐校幹部密切協作，建立聯合育人機制。空軍航空大學、海軍航空大學派駐得力的學員隊幹部，制定了嚴格的規章制度，學員集中住宿，隊幹部與學員同吃同住，宿舍裡形成了濃厚的軍營文化。航院選派優秀的班主任、輔導員，設立班、團、黨課小組「三駕馬車」，共同負責班級事務與集體建設。按照軍校模式設置軍事管理體系，全體學員編為中隊，設學員中隊長和指導員，下設三個區隊，八人為一戰鬥班，設班長和副班長。學員們既保持軍人的管理與作風，也接受清華的集體建設傳統薰陶。
將軍隊思想政治教育與清華大學思政教育資源緊密融合，齊抓共管，雙重聚焦，夯實黨建基礎，以黨建帶班建、促團建。
思想政治教育本著「築牢學員軍魂」的根本方針，堅持把理想信念教育擺在首要位置，瞄準強軍目標，樹立學員使命感責任感，發揮清華大學又紅又專的育人傳統，鑄就飛行學員的鋼鐵軍魂，爭做新時代「四有」革命軍人。首重「價值塑造」，通過與李中華、程曉健、李剛等先進典型交流座談，在烈士紀念日、空軍建軍日等重要時間節點組織紀念，觀摩珠海航展、參加航海實習，到成都飛機工業集團等軍工廠所參觀見學等系列活動，加強了飛行學員從軍報國的理想信念，有效提升了飛行事業心。