研究所下设细胞生物室、神经分子病理室、病理生理研究室、神经药物研发室、神经损伤修复室、神经流行病学室、脑肿瘤研究室、功能神经外科研究室、颅脑创伤室、神经解剖室、功能神经影像研究室等14个基础研究室，神经病理中心、神经电生理室、神经介入研究室、伽玛刀研究室等6个临床研究室。作为首都医科大学二级学院，获批博士生培养点4个，硕士生培养点6个，以神经科学为中心，包括基础学科和临床学科，神经肿瘤、神经介入、神经分子病理、神经电生理、功能神外、周围神经外科等特色专业，现有研究生导师31人。《中华神经外科杂志》编辑部、全国脑血管病防治研究办公室、北京市脑血管病防治指导办公室挂靠该所。北京神经外科学院、清华大学临床神经科学研究院及首都医科大学神经外科学院办公室均设在本所。

临床基地北京天坛医院神经外科设有：脑血管病、颅内肿瘤、外伤、小儿、脊髓、功能神经外科、介入神经放射及综合科等13个病区，400余张病床，2010年神经外科手术量9000余例，神经介入及放射外科手术量2000余例。