国家核安全局由局机关、六个地区核与辐射安全监督站和技术支持单位组成。

局机关业务部门由三个业务司与一个国际合作处组成。核设施安全监管司、核电安全监管司、辐射源安全监管司既是生态环境部的内设机构，也是国家核安全局的内设机构，其中核设施安全监管司承担核与辐射安全法律法规草案的起草，拟订有关政策、规划、标准，负责核安全工作协调机制有关工作，组织辐射环境监测，承担核与辐射事故应急工作，负责核材料管制和民用核安全设备设计、制造、安装及无损检验活动的监督管理。核电安全监管司负责核电厂、研究型反应堆、临界装置等核设施的核安全、辐射安全、辐射环境保护的监督管理。辐射源安全监管司负责核燃料循环设施、放射性废物处理和处置设施、核设施退役项目、核技术利用项目、铀（钍）矿和伴生放射性矿、电磁辐射装置和设施、放射性物质运输的核安全、辐射安全和辐射环境保护、放射性污染治理的监督管理。

六个地区核与辐射安全监督站分别是华东、华南、西南、华北、东北、西北核与辐射安全监督站。技术支持单位主要包括生态环境部核与辐射安全中心、国家海洋环境监测中心、中国核安全与环境文化促进会、辐射环境监测技术中心、苏州核安全中心、核设备安全与可靠性中心、北京核安全审评中心、上海核安全审评中心等。生态环境部（国家核安全局）业务指导省级生态环境部门开展辐射安全监管和辐射环境监测等相关工作，同时设立了国家核安全专家委员会作为国家核安全局的决策咨询机构。