두산중공업 태생은 한라그룹의 뿌리인 현대양행으로 업계에서의 활약과는 별개로 기구한 운명을 가진 것으로 유명하다.
1962년 현대그룹 시절 운곡 정인영 창업주가 현대양행을 세워 1964년 안양공장을 세웠고, 1969년 자동차부품을 생산했다. 1976년 군포종합기계공장을 세우고 인천조선소를 세운 뒤, 1977년에 인천조선소를 '인천조선'으로 분할시키고 자회사 한라건설을 세웠다. 1979년 파푸아뉴기니 현지법인 남양팀버를 세우고 1980년 안양공장 및 자원개발부를 만도기계 및 한라자원으로 분할시켰다. 그러나 그해 10월 신군부의 중장비 산업 구조조정 조치로 대우그룹에 인수되었다. 그리고 정인영 사장도 1981년에 구속되었다가 석방 후 한라자원 등 남은 자회사들을 모아 훗날 '한라그룹'으로 발전시키게 되었다.
반면 현대양행을 인수한 대우그룹은 인수 후 사명을 '한국중공업(약칭 한중, 영문 약자는 KHIC)'으로 개편하고 대우중공업과 시너지를 낼 장기적 사업계획을 가지고 150억원 투자를 단행하고, 한국중공업 임직원들의 밀린 급여를 대우그룹 임직원들의 상여금으로 지급될 자금으로 대체하는 등 정상화에 상당한 노력을 기울이지만, 얼마가지 못하고 인수과정에서 부실경영을 했다는 오명을 쓰면서 경영권을 박탈당해 결국 공기업으로 전환됐다.
1982년 창원종합기계공장을 세웠으나 1983년에 중장비공장을 삼성중공업, 트랙터공장을 금성전선에 각각 넘기고 발전설비, 선박엔진 등에 집중했다. 국영화 이후에도 부실 공기업으로 남아 정부의 속까지 썩이다 1990년, 쌍용중공업 사장이던 안천학이 사장직에 취임한 뒤 흑자로 전환한 바 있었고, 1996년 동양전력을 합병했다. 1997년 외환 위기를 거치면서 민영화가 결정되어 2000년 1월 삼성중공업과 합작해 HSD엔진을 세웠고, 12월 두산컨소시엄이 스페코컨소시엄을 제치고 인수하면서 이듬해 '두산중공업'으로 이름을 바꾸고, 민영화 과정에서 기업공개를 단행하였다.
2006년 영국 미쓰이밥콕 및 루마니아 크배르너IMGB 인수 후 2010년 유럽 자회사 두산파워시스템을 세웠고, 2016년 미국 원에너지 시스템즈를 인수했다. 2018년 3월 13일 두산엔진 지분을 국내 사모펀드(PEF) '웰투시 컨소시엄'에 822억원에 매각한다고 밝혔다.
사업영역은 발전설비(보일러, 터빈/발전기)사업, 담수플랜트 사업, 원자력 사업, 주조·단조 사업, 건설 사업 이렇게 5개 분야로 나뉜다. 화력발전의 중요한 기자재인 보일러와 터빈/발전기, 원자력 발전의 중심인 원자로(국내에서 건설되는 원자력발전소에 독점적으로 납품한다)가 두산중공업의 주요 제품이며, 직접 생산한 발전설비들을 가지고 발전소를 건설하는 것이 두산중공업 epc의 특징이다. 담수화 플랜트 사업은 이쪽에 뛰어든 게 1970년대 말인데, 약 30년 정도만에 담수화 플랜트 사업에서 30% 내외의 세계시장 점유율을 꾸준하게 유지하고 있다. 2015년 기준으로 세계 1위, 세계 점유율 40%를 돌파했다. 다만, 대외적인 상징성에 비해 회사에서의 매출 비중은 이상하게 낮은 편이다.
1978년 첫 삽을 뜬 사우디아라비아 파라잔 해수 담수화 프로젝트를 시작으로 중동에서 26개의 해수 담수화 플랜트를 수주했다. 현재 하루에 640만톤의 바닷물을 마실 물로 바꾸고 있으며, 이 물을 공급 받고 있는 사람은 약 2200만명에 이른다. 현재 남미 칠레 에스콘디다에서 해수 담수화 시설을 건설 중이다. 특히 사우디아라비아에 지어놓은 쇼아이바 담수발전소는 세계 최대규모의 담수화 시설로 명성이 높다. 또한 그 성능도 세계 1류급이다.
2014년 부산광역시 기장군에 해수담수화시설을 건설하였으며, 2016년부터 해수담수화를 거친 수돗물을 공급할 예정...이었는데 여러 문제로 망했다. 더 정확히는 시에서 강제로 공급하려다가 소송전 끝에 원하는 가구만 공급받도록 절충안을 냈지만, 단 한 가구도 신청하지 않아 최소한의 경비인원만 남겨놓고 그대로 폐건물행.
전신인 한국중공업, 공기업 시절부터 원자력·화력 발전설비 관련해서는 국내에서 그야말로 몰빵을 받은 기업이기 때문에, 터빈이나 보일러, 탈황설비 등 주요 발전설비 분야에서 독보적인 점유율과 기술력을 자랑한다. 외국 기업에서 사오지 않은 이상 국내에서 어지간히 규모 있는 발전소를 짓는데 필수요소급. 다만 글로벌 시장에서는 지멘스나 GE 같은 원천기술을 소유한 기업들에 밀려서 5위권 아래에 불과하다.
원자력 산업의 경우, 문재인 정부의 탈원전 정책으로 인해 심각한 위기를 겪고 있다. 자회사를 제외한 별도재무제표상 두산중공업 영업이익은 2017년 1분기 825억원에서 2019년 1분기 473억원으로 곤두박질쳤다. 또한 전체 직원 6,000여명 가운데 과장급 이상 2,400여명에 대해 순환 휴직을 실시하고 있고, 250여명은 관계사로 전출시킨 상황이다. 그럼에도 불구하고 미국에서 소형 모듈 원전(SMR) 프로젝트의 주(主) 기기 등 12억달러(약 1조4000억원) 규모의 기자재 수주에 성공하는 등 위기 타개를 위해 노력하고 있다.
두산중공업에서도 해수 담수화 시설을 주요 광고 포인트로 삼고 있다.
간혹 밀덕들이 K-2 흑표의 파워팩 국산화를 이 회사가 하는 줄 아는데, 파워팩 국산화 작업은 두산인프라코어가 시행하고 인프라코어에서 생산한다. 2016년 들어 두산인프라코어의 방산산업 부분이 분할되어 두산 DST가 되었다가 한화그룹이 인수해서 한화디펜스가 되었으나, 2019년 한화지상방산에 합병되었다.
두산그룹 내에서 지배구조 최상단의 두산보다 더 중요한 회사인데, 두산그룹 주요계열사들을 지배하고 있기 때문이다. 따라서 두산중공업이 망하는 날에는 두산그룹도 공중분해 당하는 셈.
