L'établissement a pour mission : 
a) De délivrer, renouveler, restreindre, suspendre ou retirer les agréments de sécurité, les certificats de sécurité, les autorisations de mise en exploitation commerciale et, de façon générale, toutes les autorisations requises pour l'exercice d'une activité ferroviaire qui lui sont confiées par la réglementation ; 
a bis) De délivrer les immatriculations aux véhicules dans le cadre de l'article 57 du décret n° 2006-1279 du 19 octobre 2006 relatif à la sécurité des circulations ferroviaires et à l'interopérabilité du système ferroviaire  ;
 a ter) D'obtenir communication des documents et informations qu'il juge nécessaires auprès de tout acteur exerçant une activité ferroviaire, lorsqu'il existe un doute avéré que l'activité de ce dernier compromet le maintien du niveau de la sécurité du système ferroviaire ; ceci concerne également les activités ferroviaires ne nécessitant pas la délivrance d'une autorisation.
Le cas échéant, il avise les autres organismes ayant délivré des autorisations des dysfonctionnements constatés 
b) D'assurer le suivi et le contrôle des autorisations mentionnées au a en particulier au moyen d'inspections et d'audits ; 
c) D'assurer le contrôle de la mise sur le marché des constituants d'interopérabilité conformément aux dispositions des articles L.2211-1 et suivants du code des transports ; 
d) De publier tout document technique, règle de l'art et recommandation, élaboré ou non par l'établissement public, de nature à faciliter le respect, par les personnes concernées, des exigences réglementaires relatives à la sécurité et à l'interopérabilité ferroviaires certains de ces documents publiés par l'EPSF ont valeur de "moyen acceptable de conformité", dont le respect garantit une présomption de conformité aux exigences prévues par la réglementation nationale ; 
e) De répondre aux consultations du ministre chargé des transports sur toute question relative à la sécurité et à l'interopérabilité ferroviaires et de lui faire toute proposition d'évolution de la réglementation ; 
f) D'initier, de piloter ou d'apporter son concours à des études ou des activités en rapport avec la sécurité ferroviaire, notamment liées à l'innovation technologique ;
g) D'élaborer chaque année un rapport relatif à la sécurité du transport ferroviaire ; 
h) De veiller à la sécurité ferroviaire d'ensemble des réseaux mentionnés à l'article L. 2221-4 du code des transports ; à ce titre, il peut notamment demander la modification ou le retrait des conditions techniques, consignes locales d'exploitation ou règles d'exploitation particulières visées à l'article 10 du décret n° 2006-1279 du 19 octobre 2006 et autoriser les circulations visées à cet article ;
i) De définir les gares ou chantiers situés sur le réseau ferré national jusqu'auxquels une autorisation d'exploiter des services de transports de marchandises délivrée à une entreprise ferroviaire sur un réseau raccordé peut valoir certificat de sécurité ; 
j) En application des dispositions du décret n° 2010-708 du 29 juin 2010 :
-de délivrer, mettre à jour, suspendre  ou retirer les licences de conducteur de trains, de les renouveler et de délivrer un duplicata à la demande du titulaire ainsi que de publier les procédures associées ;
-de tenir et de mettre à jour le registre des licences de conducteur de trains ;
-d'agréer les organismes chargés de délivrer l'attestation prévue au 2° de l'article 3 du décret précité ;
-d'agréer des organismes de formation et d'évaluation des connaissances professionnelles requises pour la délivrance de l'attestation prévue au II de l'article 6 du décret n° 2006-1279 du 19 octobre 2006 relatif à la sécurité des circulations ferroviaires et à l'interopérabilité du système ferroviaire ;
-d'agréer les procédures d'habilitation des personnes chargées de la formation et de l'évaluation nécessaires à l'inscription d'une ligne ou section de ligne du réseau ferré national sur une attestation dans les conditions prévues au même article ;
k) D'organiser le retour d'expérience commun du système ferroviaire ; à ce titre il est informé par les exploitants ferroviaires de tout événement susceptible d'avoir eu ou ayant eu une incidence sur la sécurité ferroviaire, accompagné des éléments d'analyse ; un arrêté du ministre chargé des transports définit la nomenclature de classification de ces événements ainsi que les modalités de la remontée d'information auprès de l'établissement ;
 l) De suivre les actions mises en œuvre par les acteurs du système ferroviaire en réponse aux recommandations en matière de sécurité formulées par le bureau d'enquête sur les accidents des transports terrestres.