Le C.N.A.M. est organisé en départements, qui regroupent plusieurs chaires, en instituts et en centres spécialisés.
Il comprend en outre des services, notamment la bibliothèque et le Musée national des techniques. Ce musée a pour mission de conserver et d'accroître le patrimoine national illustrant le progrès des sciences et des techniques. Il contribue au développement de la recherche historique et à la formation culturelle scientifique et technique. Il entre aussi dans ses fonctions d'étudier la création de musées scientifiques et techniques et d'apporter son concours à l'activité des musées existants.