Toutes deux créées au milieu du XIXe s., les écoles polytechniques de la Suisse n'ont pas eu les mêmes relations avec la Confédération. Celle de Zurich est fédérale depuis l'origine, celle de Lausanne depuis 1969 seulement.
Fondée en 1855, l'Eidgenössische Polytechnische Schule (en français Ecole polytechnique fédérale, EPF) porta dès 1911 le nom d'Eidgenössische Technische Hochschule (ETH); elle résulte de la création de l'Etat fédéral en 1848 et de la croissance rapide, du fait de l'industrialisation, des besoins en formation supérieure pour les sciences naturelles et les techniques. Contrairement à l'université fédérale que la résistance des cantons (Université) fit échouer, le "Polytechnicum" comme on l'appela aussi, put être réalisé. L'institution, dont le siège fut établi à Zurich, comprenait initialement cinq départements ( Architecture, Génie civil, mécanique, Chimie et Génie forestier), plus une section pour les mathématiques, les sciences naturelles et les branches générales (littérature et économie publique). Au sein du corps professoral initial, dont faisait partie le Bâlois Jacob Burckhardt, les réfugiés politiques tinrent une place importante: ce fut par exemple l'architecte Gottfried Semper qui réalisa le bâtiment principal de l'EPF en 1861-1864. Les étudiants étaient eux aussi en majorité étrangers et les femmes furent longtemps exclusivement des Allemandes ou des Russes. Le premier diplôme (pour l'enseignement des sciences naturelles) n'a été décerné à une Suissesse qu'en 1895.
Après une brève période de stagnation dans les années 1870, l'Ecole polytechnique connut une extension constante de ses locaux, parallèle à une croissance interne continuelle due à l'introduction de nouveaux enseignements, l'électrotechnique par exemple, et à la prise en charge de nouvelles tâches, comme le laboratoire pour l'essai des matériaux de construction créé en 1880. Le nombre des étudiants augmenta également, passant la barre des mille vers 1900 et celle des deux mille au lendemain de la Première Guerre mondiale. En 1908, une modification du règlement avait donné, par l'introduction de programmes normalisés, une forme plus universitaire au plan d'études, jusqu'alors très scolaire, et autorisé l'Ecole à décerner des doctorats en sciences techniques, sciences naturelles et mathématiques. Enfin, l'EPF reçut en 1924 son organisation en douze départements, qu'elle conserva jusqu'à la fin des années 1990, avec des différenciations toujours plus marquées à l'intérieur de chacun d'eux dès 1980.
Au XIXe et au début du XXe s., l'institution avait pour vocation première de former des spécialistes dans les domaines techniques et scientifiques. La place de la recherche scientifique, en particulier de la recherche fondamentale, augmenta par la suite. A cette évolution sont associés des noms de professeurs ou de diplômés de l'école, tels les physiciens Wolfgang Pauli et Paul Scherrer, le constructeur de ponts Othmar H. Ammann, le chimiste Leopold Ruzicka ou, pour les sciences humaines, Carl Gustav Jung, Karl Schmid et Jean Rodolphe de Salis. Plusieurs Prix Nobel contribuèrent à la renommée internationale de l'EPF. Seule haute école fédérale à vocation technique jusqu'en 1969, elle joua un rôle de premier plan en formant les dirigeants des entreprises techniques et industrielles du pays ainsi que les cadres de métier pour l'armée.
Entre 1950 et 1970, la croissance de l'EPF fut particulièrement forte. De 1955, année du centenaire, à 1979, le nombre d'étudiants passa de 2776 à 6003 et celui des professeurs de 105 à 261. En 2008, on comptait 15 083 étudiants, dont 4600 femmes, et 372 professeurs, dont 39 femmes. Cette période fut aussi celle de la construction d'un second complexe sur le Hönggerberg, quartier périphérique de Zurich. Depuis la Deuxième Guerre mondiale, les progrès scientifiques considérables enregistrés, par exemple en physique, des particules ou nucléaire, dans la technologie des semi-conducteurs, en électronique et en informatique, en biologie moléculaire et en biotechnique, ont durablement marqué l'EPF. Ils ont donné naissance à de nombreux instituts et départements, tout en favorisant les recherches interdisciplinaires, en sciences des matériaux notamment.
Cette évolution a entraîné l'introduction de nouvelles filières d'études et l'adaptation des matières enseignées, avec pour effet la multiplication des branches d'examen et l'élargissement des possibilités de spécialisation ou de perfectionnement, y compris de nombreuses formations postdoctorales. Le raccourcissement continuel de la durée de vie du savoir dans le domaine des sciences naturelles et de la technique valorisa notamment l'enseignement de la connaissance globale des méthodes et des procédés. L'EPF tint aussi compte des nouveaux besoins de la société, en créant par exemple un département des sciences de l'environnement, en instituant un cycle d'études postdoctorales en aménagement du territoire (local, régional et national) et en s'impliquant dans la coopération au développement.
En reprenant en 1969 l'Ecole polytechnique de l'université de Lausanne (EPUL), la Confédération se dota d'une seconde haute école technique, qui devint l'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL). A l'origine institution privée vouée à la formation des ingénieurs, l'Ecole spéciale de Lausanne, ainsi nommée lors de sa fondation en 1853 déjà, fut rattachée à l'académie de Lausanne en 1869, devenue université de Lausanne en 1890. En 1969, l'EPFL comptait 55 professeurs et 1400 étudiants (elle en avait 360 en 1946). Elle s'est progressivement installée depuis 1978 à Ecublens (VD), dans de nouveaux bâtiments mieux adaptés que ceux des Cèdres à Lausanne aux exigences de l'enseignement et de la recherche. Le caractère de l'EPUL ne disparut pas lorsqu'elle devint institution fédérale. Il est toujours perceptible à l'EPFL, notamment dans la forte proportion d'étudiants étrangers (d'Asie et d'Afrique du Nord en particulier, d'où provenaient 21% des quelque 2000 étudiants que comptait l'Ecole en 1978), dans l'étroite collaboration avec l'économie et l'université de Lausanne et dans la coopération interdépartementale à des projets de recherche (dits projets d'école). Traditionnellement spécialisée en électricité et en hydraulique, l'EPFL a mis l'accent, depuis le milieu des années 1980, sur la microtechnologie, les systèmes de communication et la recherche sur la fusion. Elle a connu une forte croissance au cours des vingt dernières années du XXe s. avec, en 1998, un effectif de 210 professeurs et 4700 étudiants, dont près de 800 femmes. En 2008, elle recensait 6476 étudiants immatriculés et 261 professeurs (dont 28 femmes). En 2002, elle a annexé la faculté des sciences de l'université de Lausanne. Elle a remplacé les douze départements par cinq facultés et développe des recherches sur les neurosciences et la biologie des développements (cellules souches par exemple).
Institué par la loi de 1991, entrée en vigueur en 1993, sur les écoles polytechniques fédérales, le conseil des EPF est l'organe dirigeant des deux hautes écoles de Lausanne et de Zurich, ainsi que de quatre établissements de recherche indépendants, autrefois institutions annexes de l'EPFZ. L'Institut Paul-Scherrer (IPS) est né en 1988 de la fusion de l'Institut suisse de recherches nucléaires et de l'Institut fédéral de recherche en matière de réacteurs. Les points forts originels de ces établissements ont progressivement cédé leur place à la recherche sur les solides et aux sciences des matériaux, aux sciences biologiques et à la recherche sur l'énergie. L'IPS figure parmi les meilleurs laboratoires d'accueil du monde. Avec ses 1200 collaborateurs et son budget annuel de 160 millions de francs, il est aussi le plus grand institut de recherche en Suisse. Le Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherches (LFEM) est issu du laboratoire d'essai des matériaux de construction fondé en 1880. Son activité principale, qui consistait à l'origine en des tests de routine, s'est réorientée à partir de 1988 vers la recherche appliquée, le développement et les conseils. L'Institut fédéral pour l'aménagement, l'épuration et la protection des eaux (auj. Institut de recherche de l'eau du domaine des EPF, Eawag) a été avant tout, jusque dans les années 1950, un service de consultation pour la construction de stations d'épuration. En 1957, il a joué un rôle important dans l'application de la première loi sur la protection des eaux. Aujourd'hui, ses activités sont consacrées surtout à la recherche fondamentale, conçue comme une appréhension globale des problèmes environnementaux, intégrant à la fois les sciences naturelles et les sciences sociales. De même, l'Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage (FNP), primitivement axé sur la mise en valeur économique des forêts et l'utilisation du bois, a élargi son champ de recherche à des problèmes écologiques plus vastes.