CENIEH se estructura actualmente en cinco programas de investigación: Arqueología económica y espacial, Geoarqueología, Geocronología, Paleobiología de homínidos y Tecnología prehistórica. Además cuenta con laboratorios, biblioteca especializada, salas polivalentes, espacios diáfanos y zonas de trabajo que han sido equipados para que la investigación sobre la Evolución Humana se constituya como un referente a nivel mundial. Los laboratorios que le dan la singularidad como ICTS, calificados como esenciales, se agrupan básicamente en tres grandes áreas técnicas:

• Área de Sedimentología y Caracterización de materiales: englobando los laboratorios de Microscopía, Microtomografía Computarizada, Arqueometría, Geología y Salas para la preparación de láminas de roca y micromorfología de suelos.
• Área de Geocronología: con grandes equipamientos e instalaciones que incluyen los laboratorios de datación por Series de Uranio, Luminiscencia, Resonancia Paramagnética Electrónica y Arqueomagnetismo, así como sus correspondientes espacios para la preparación de muestras, que incluyen Sala Blanca, Sala Oscura y Sala para la preparación de muestras para datación por Núclidos cosmogénicos, además de equipamiento transversal como los detectores de germanio HPGe y el irradiador gamma.
• Área de Colecciones, Conservación y Restauración: para la gestión y conservación de material procedente de yacimientos nacionales e internacionales, especialmente los de Atapuerca.