為有效發揮支援學術研究及成為具前瞻性國際級國家實驗室，NDL主要工作項目包含「元件實驗服務」、「育才與業務推廣」、「元件研發」等三項，其組織架構如圖所示。

元件實驗服務：
(1)奈米元件新竹廠：以CMOS為發展主軸，整合國內在奈米科學和技術方面的研究資源，建置一包含top-down及bottom-up製造平台的核心試驗線，支援產學界在新穎奈米電子元件、奈米電(光)子元件技術、奈米製造和功能性材料製程技術、奈米生醫與微機電等前瞻研究。
(2)奈米元件台南廠：以奈米能源與奈米光電為發展主軸，持續建置及維持台南廠的研究資源，建構南台灣所需之奈米能源技術及太陽能研發與人才培育平台。
(3)高頻電性量測：支援產學界在110GHz射頻/微波/毫米波電路、110GHz雙埠S參數、50GHz變溫雙埠S參數、50GHz四埠S參數、18GHz高頻雜訊參數、低頻雜訊參數、20GHz 脈衝式射頻參數與6GHz高頻功率參數等高頻元件/電路相關研究工作。
(4)奈米影像物性分析：支援產學界在奈米影像技術於繞射、掃描、表面化學與低溫分析研究。

育才與業務推廣：
由業務推廣與服務行政組執行本實驗室產學合作、教育訓練、人才培訓等各項支援工作。

元件研發：
主要是以「奈米CMOS元件平台」、「奈米能源與光電技術」與「奈米生醫微機電技術」等三大重點為研究主軸，以期提升對學界更好的技術服務內容。

各委員會(工安衛委員會、人事甄選委員會與採購委員會)：審議本實驗室人事、採購、工安等業務或提供相關建議，以期實驗室各項制度與組織運作都能在相關專業人員的參與下達成預期效益。