學術委員會
國家實驗室學術委員會的主要職責是對實驗室發展戰略規劃、實驗室學術方向、人才隊伍建設規劃提出建議，聽取和審議實驗室年度工作報告。實驗室學術委員會由實驗室理事會成員、國家實驗室主任和副主任以及北京大學化學與化學學院推薦的成員組成。任期5年。實驗室學術委員會設主任1名，副主任2名，由理事會討論通過。
獨立評估委員會
國家實驗室獨立評估委員會是對國家實驗室的研究方向、研究成果、研究水平和實驗室人員進行評估的機構。獨立評審委員會由15-20國際知名科學家組成，均為非國家實驗室人員。獨立評估委員會成員由學術委員會提名，報理事會批準，由國家實驗室理事會主任聘任。原則上，委員會每五年進行壹次評估。
國家實驗室主任
國家實驗室主任全面負責實驗室的所有工作，包括實驗室的戰略規劃、研究方向的制定、研究領域和研究部門的設立、研究平臺的搭建、國內外學術交流等。
國家實驗室辦公室
北京分子科學國家實驗室的主要職責是協助實驗室主任處理日常事務，包括執行和監督實驗室理事會決定的事項，統壹收集和分發上級部門的函件，起草和制定實驗室內部規章制度和文件，管理運行費用，對內對外宣傳和提交綜合統計年報。
執行委員會
國家實驗室執行委員會的主要職責是在國家實驗室主任的領導下管理實驗室的日常事務，提出各種建議和方案，報實驗室董事會/學術委員會討論、審議和通過；定期向理事會報告實驗室的管理和運行情況，向學術委員會報告實驗室的定位、研究方向和科研進展情況。執行委員會由實驗室主任、副主任和籌備期間研究部門的部分召集人組成。執委會由1名主任、2名副主任和若幹名委員組成，任期兩年。執委會主任由北京大學化學研究所或中國科學院化學研究所輪流擔任，執行期各為1年；副主任和委員分別由北京大學化學研究所和中國科學院化學研究所推薦。
研究部門和研究小組
根據分子科學前沿和國家重要戰略需求，結合依托單位原實驗室的研究特點，國家實驗室在籌建期間擬設立9個研究部門，每個研究部門下設若幹研究小組。研究部部長面向國內外公開招聘，由國家實驗室主任選拔提名，國家實驗室學術委員會審定，國家實驗室主任聘任。實驗室籌建期間，擬在各研究部門設立籌建召集人。研究組組長將從化學所、化學所研究組中遴選，由國家實驗室主任提名，國家實驗室學術委員會審定，實驗室主任聘任。隨著重大科學問題的提出或解決，經實驗室主任提議，國家實驗室學術委員會審定，將動態設立或取消。
建設前期設立9個研究部門:
(1)物質結構與分子動力學系；
(2)合成與組裝化學研究部；
(3)無機和稀土化學研究部；
(4)高分子科學與材料研究部；
(5)納米科學與技術研究部；
(6)化學生物學研究部；
(7)有機固體研究部；
(8)分析與環境分子科學研究部；
(9)能源與綠色化學研究部。
相關研究部門或研究小組
北京分子科學國家實驗室聘請國際壹流的分子科學領域的科學家組成國家實驗室獨立評估委員會，定期對國家實驗室的研究組和研究部門進行評估；在此基礎上，對課題組和研究部門進行相應調整。
分析、測試和技術支持
該中心是國家實驗室的分析測試和技術支持機構，由北京質譜中心、北京核磁中心、北京大學和中科院化學所分析測試中心組成，積極爭取國家更大的財政投入，建立壹流的支持體系和先進完善的實驗研究平臺。突出開放和享受，合理利用資源配置，提高服務質量和服務水平，向全國相關研究單位開放。分析測試技術支持中心的技術人員應設總工程師壹名，總工程師應為設備提供技術支持，負責維護和保養設備的正常運行，保證實驗室研究人員科研項目的順利開展。籌備期間，分析測試與技術支持中心主任兼任實驗室主任。
研究部門
有機化學是分子科學的重要核心和創新學科，是許多相關學科發展的基礎。同時，有機化學是壹門實踐性很強的學科，與制藥、精細化工等行業密切相關，因此社會對有機化學人才的需求巨大。
研究部門的建設目標
繼續細化研究方向，形成有特色的研究領域，加強與材料化學和生命科學的交叉，使本研究部門成為具有國際影響力的合成與組裝化學研究團隊。它為開發和創造新藥物提供了方法和基礎，為模擬生命系統的結構和功能以及開發新材料提供了手段和方法。
通過整合中科院化學所和北京大學化學所在合成與組裝化學方面的研究力量，引進相關研究領域的人才，經過3-5年的建設，這個研究部門的研究隊伍將達到65人左右，其中PI 35人左右。
研究部門的研究方向和重點
研究方向:壹方面關註國際有機化學主流及相關前沿交叉領域，包括金屬有機化學、有機合成化學、物理有機化學、材料有機化學、生物有機化學；另壹方面是組裝化學。有機合成化學以原子團的價鍵連接為核心，組裝化學主要通過分子間弱相互作用或分子間非價相互作用來實現分子的信息或功能，這是合成化學發展的必然。
研究重點:
復雜天然產物的合成方法學、不對稱合成和全合成研究；
碳碳鍵骨架和碳雜原子鍵的選擇性斷裂和重組研究:
新功能分子的合成、催化有機反應、金屬卡賓反應和富勒烯化學；
研究分子識別、分子聚集和形成的各種多級有序結構；
分子組裝與生命和材料科學前沿研究。
無機和稀土化學研究部
該研究部門的研究方向不僅包括分子科學的核心研究內容，還與材料、物理等學科密切相關。主要對象是無機和稀土化學和材料。