Le service des affaires nucléaires élabore et met en oeuvre, sous réserve des attributions de la direction de la sûreté des installations nucléaires, les décisions gouvernementales relatives à la filière nucléaire. A ce titre, il exerce la tutelle sur l'Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs.

Dans le cadre de la politique de non-prolifération nucléaire de la France, il participe au contrôle des exportations des matières sensibles.