El CNIO posee 49 Grupos y Unidades dirigidas por Investigadores Principales de renombre internacional, agrupados en tres Programas de Investigación Básica (Oncología Molecular, Biología Estructural y Biocomputación, y Biología Celular del Cáncer) y dos Programas de Investigación Traslacional (Genética del Cáncer Humano e Investigación Clínica).