以毫米级或更高精度进行的工程测量。重要的科学试验和复杂的大型工程，例如高能加速器设备部件的安装、卫星和导弹发射轨道及精密机件传送带的铺设等，都要进行精密工程测量。除常规的测量仪器和方法外，常需设计和制造一些专用的仪器和工具。计量、激光、电子计算机、摄影测量、电子测量技术以及自动化技术等也已应用于精密工程测量工作中。
精密工程测量技术包括精密地直线定线、测量角度（或方向）、测量距离、测量高差以及设置稳定的精密测量标志。从测量方案设计、实地施测到成果处理和利用的各个阶段中都要利用误差理论进行分析。
定线 通常用精密经纬仪进行，以其望远镜的视准面为基础，从而测定目标点的横向偏离值。要求高精确度时可用专用的准直望远镜。张紧的弦线也可用作基准线，并用读数显微镜测量设备部件距离基准线的垂距。激光束也可作为基准线，有时使激光束经菲涅耳波带板干涉形成光点或亮十字丝像，配合光电接收靶进行准直测量，如果激光束在真空管道中传输，则波带板准直法精度可以达准直长度的10□数量级。
测角 角度（或方向）用经纬仪测量。观测时要用适当的方法减少或避免望远镜调焦误差及其他仪器误差的影响，要选择或创造良好的观测条件以削弱外界因素的不良影响，要尽量减少仪器和目标偏心差的影响，必要时可在观测成果上加入仪器竖轴倾斜改正数及测微器读数的行差改正数。
测距 较短距离的精密测量，主要用因瓦合金制成的线尺或带尺，配备特制的对中设备和读数显微镜进行。丈量时尺子的拉力要保持恒定，可采用空气轴承的滑轮或刀口支承,要提高读数的精度,可应用读数显镜或专门的精密机械测微装置，使读数误差减少至微米级。用激光干涉的方法测量距离，其误差和波长为同一数量级。双频激光干涉测长仪,可以测量长至50米左右的距离,其反光镜要沿导轨移动，并可用以精确测定其他尺子的长度。较长的距离宜用精密的光电测距仪测量,测距达2.5公里，测距的相对精度可达10□。
测高 测量高差通常用精密水准仪进行。当视线短至5～10米时，测量高差的精度可以达到0.05毫米左右。用带有机械测微装置的精密水准器安装设备时，测量相距不到1.5米的两点高差精度，可以达到0.01毫米左右。用精密的液体静力水准仪测量高差的误差可减少至几个微米。应用电子技术判断水准器气泡居中的精度为0.5□。
标志 精密工程测量要在相应的标志上进行。平面标志应能使测量仪器在标志上面精确就位。为此常采用某种强制对中装置。例如球与圆柱孔配合的对中装置，可使仪器在标志上的对中误差小于0.1毫米,精密研磨的轴与轴套匹配的装置，可使对中误差小于0.01毫米。在精密工程测量工作中，要求标志与设备或设备基础精确地、牢固地连接。一项工程要有若干个绝对位置非常稳定的平面和高程基准点,最好用基岩标志作为基准点;在软土地区可用深埋钢管标志作为高程基准点，用倒锤作为平面基准点。倒锤的标志锚固在地表下几十米深处，
标志上系一根柔性丝，用浮力把它向上拉紧。丝上任何一点的平面坐标与地下标志的平面坐标完全一致。
在较大的施工场地上，通常先设置一系列精密控制点作为放样的依据，以使繁多的部件精确安装在设计位置上。高程控制一般采用水准网。平面控制网可以是测角网、边角网、测边网等。也可以布设三维网，同时测定各点的平面坐标和高程。控制网的形状常受工程形状所制约,例如线形工地上宜布设直伸形网,环形工地上宜布设环形网。精密工程控制网常有较多的多余观测，提供可靠的校核并提高测定待定点坐标和高程的精度（见工程控制测量）。