实验室现有固定人员450人左右，其中科研人员约400人，技术支撑与管理人员约50人。其中中国科学院院士17人，工程院院士1人，教授及研究员157人，副教授及副研究员（含高级工程师）182人；49人获得国家自然科学基金杰出青年基金资助，15人获得海外及港澳杰出青年基金资助，拥有长江特聘教授10人，5人入选教育部跨世纪人才，33人入选中科院“百人计划”。拥有流动人员约1150人，其中研究生1000人，博士后、访问学者与客座人员约150人。实验室正在逐步形成学术思想活跃、学术氛围浓厚、以年轻学术带头人为主、以学术交叉及融合为特色的、富有创新与钻研精神的研究集体。
学术委员会
国家实验室学术委员会主要职责是对实验室发展战略规划、实验室的学术方向、人才队伍建设规划等提出建议，并听取和审议实验室年度工作报告。实验室学术委员会由实验室理事会成员，国家实验室主任、副主任以及由北大化学学院和化学所推荐的委员组成，每届任期5年。实验室学术委员会设立主任1人，副主任2人，由理事会讨论通过。
独立评价委员会
国家实验室独立评价委员会是对国家实验室的研究方向、研究成果、研究水平以及实验室人员进行评价的机构。独立评价委员会由15－20名国际知名科学家组成，全部为非本国家实验室人员。独立评价委员会成员由学术委员会提名，报理事会通过，由国家实验室理事会主任聘请。该委员会原则上每5年进行一次评估。
国家实验室主任
国家实验室主任全面负责实验室的各项工作，包括实验室的战略规划、研究方向的制定，研究领域、研究部的设立，研究平台的建设，国内外学术交流等。
国家实验室办公室
北京分子科学国家实验室办公室主要职责是协助实验室主任处理日常事务，包括实验室理事会等决定事项的落实和督办、上级机关来文等的统收统发、起草制定实验室内部规章制度及文件、管理运行费、对内对外宣传以及上报综合统计年报等。
执行委员会
国家实验室执行委员会主要职责是在国家实验室主任领导下，管理实验室的日常事务，提出各种建议、方案并报实验室理事会/学术委员会讨论审议和通过；定期向理事会汇报实验室的管理运行情况，向学术委员会汇报实验室的定位、研究方向及科研进展情况。执行委员会由筹备期间的实验室正、副主任及部分研究部召集人组成。执行委员会设主任1人、副主任2人和委员若干人，任期为2年。执行委员会主任由北大化学学院或中科院化学所轮流担任，执行期各1年；副主任和委员分别由北大化学学院和中科院化学所推荐等额人选担任。
研究部与研究组
根据分子科学前沿和国家重大战略需求，结合依托单位原有实验室研究特色，国家实验室在筹备期间计划设立9个研究部，每个研究部设若干个研究组。研究部部长在国内外进行公开招聘，经由国家实验室主任遴选、提名，国家实验室学术委员会审查通过，并由国家实验室主任聘任。在实验室筹备期间，计划在各研究部设立筹备召集人。研究组组长将从化学学院和化学所的研究组中遴选，由国家实验室主任提名，国家实验室学术委员会审查通过，并由实验室主任聘任。随着重大科学问题的提出或解决，由实验室主任提议，国家实验室学术委员会审查通过，将动态地设立或撤消。
在建设初期设立九个研究部：
（1）物质结构与分子动态学研究部；
（2）合成与组装化学研究部；
（3）无机与稀土化学研究部；
（4）高分子科学与材料研究部；
（5）纳米科学与技术研究部；
（6）化学生物学研究部；
（7）有机固体研究部；
（8）分析与环境分子科学研究部；
（9）能源与绿色化学研究部。
相关研究部或研究组
北京分子科学国家实验室聘请分子科学领域内国际一流的科学家组建国家实验室独立评价委员，定期对国家实验室研究组及研究部进行考核；在此基础上对研究组、研究部做出相应的调整。
分析测试与技术支持
该中心为国家实验室的分析测试和技术支持机构，由北京质谱中心、北京核磁中心、北京大学和中科院化学所分析测试中心的主要力量组成，并积极争取国家的更大财政投入，建立一流的支撑系统和先进完善的实验研究平台。突出开放和共享、资源配置的合理利用、提高服务质量和服务水平，同时面向全国的相关研究单元开放。分析测试与技术支持中心的技术人员设立首席工程师，技术人员提供设备技术支持，负责维护和保持设备的正常运行，保证实验室研究人员科研项目的顺利开展。在筹备期间，分析测试与技术支持中心主任由实验室主任兼任。
研究部门
物质结构与分子动态学研究部 有机化学是分子科学的重要核心，也是一门极具创新性的学科，它是许多相关学科发展的基础。同时，有机化学还是一门实用性很强的学科，它和制药、精细化工等行业密切相关，因此社会对有机化学的人才有巨大的需求。
研究部的建设目标
继续凝炼研究方向，形成有特色的研究领域，加强与材料化学、生命科学的交叉，使该研究部成为国际上有重要影响的合成与组装化学研究团队。为发展和创制新药提供方法和基础，为模拟生命体系的结构与功能，开拓新材料提供手段和方法。
通过整合中科院化学所和北大化学学院在合成与组装化学方面的研究力量，引进相关研究方向人才，经过3－5年的建设，使该研究部的研究队伍将达到65人左右，其中PI 35人左右。
研究部的研究方向和研究重点
研究方向：一方面集中在国际有机化学的主流以及相关的前沿交叉领域，包括金属有机化学、有机合成化学、物理有机化学、材料有机化学和生物有机化学等领域；另一方面是组装化学，有机合成化学是以原子团的共价连接为核心，而组装化学主要是通过分子间弱相互作用或者分子间非共价相互作用，实现分子的信息或者功能，是合成化学的必然发展。
研究重点：
合成方法学、不对称合成以及复杂天然产物的全合成等方面的研究；
碳-碳键骨架以及碳-杂原子键的选择性切断与重组反应规律的研究；
新型功能分子的合成，催化的有机反应，金属卡宾反应以及富勒烯化学方面的研究；
研究分子识别、分子聚集以及形成的各种多层次有序结构；
分子组装与生命、材料科学等方面前沿交叉研究。
无机与稀土化学研究部
该研究部的研究方向既包括分子科学的核心研究内容，又与材料、物理等学科密切相关，主要的对象是无机和稀土化学与材料。
