国家核安全局成立于1984年，1998年并入原国家环保总局并保留国家核安全局的牌子。2011年福岛核事故后，国家对核安全监管机构进行了改革，将国家核与辐射安全监管业务司由一个调整为三个，同时加强了核与辐射安全有关政策、规划、法规标准、科研等方面的工作职能。

国家核安全局由局机关、六个地区监督站和技术支持单位组成。局机关业务部门由三个业务司与一个国际合作处组成。其中核设施安全监管司（核与辐射安全监管一司）主要负责三个业务司的综合协调；开展政策、规划、法规标准与科研、应急管理与辐射监测、人员资质、核安全设备管理等工作。核电安全监管司（核与辐射安全监管二司）负责核电厂、研究型反应堆、临界装置等核设施的核安全、辐射安全、辐射环境保护的行政许可和监督检查。辐射源安全监管司（核与辐射安全监管三司）负责核燃料循环设施与核材料运输安全、放射性废物管理、辐射源安全、铀矿冶与电磁辐射的管理。

技术支持单位主要包括环境保护部核与辐射安全中心、辐射环境监测技术中心、苏州核安全中心、核设备安全与可靠性中心、北京核安全审评中心等；六个地区核与辐射安全监督站分别是华东、华南、西南、华北、东北、西北核与辐射安全监督站；环境保护部（国家核安全局）还业务指导31个省级环保部门开展辐射安全监管和辐射环境监测等相关工作，同时设立了核安全与环境专家委员会作为国家核安全局的决策咨询机构。