סוכנות ה-NIH פועלת בשני מישורים: הראשון, פונה אל מחוץ לסוכנות ומכיל את תחומי האחריות של ה-NIH למימון מחקר ביו-רפואי המתבצע מחוץ למכוני ה-NIH, בעוד שהשני עוסק בניהול המחקר במכונים. המחקר של ה-NIH מנוהל ברובו בקמפוס המרכזי הנמצא בבת'סדה, מרילנד, הסמוכה לוושינגטון הבירה. שאר מעבדות ומשרדי המכון נמצאים ברובם במדינת מרילנד, במיוחד בערים רוקוויל ופרדריק. המכון הלאומי לזקנה והמכון הלאומי לחקר התמכרות לסמים נמצאים בבולטימור שבמרילנד והמכון למדעי בריאות הסביבה נמצא בקרוליינה הצפונית. למכון הלאומי לאלרגיה ולמחלות מידבקות יש מעבדות בהרי הרוקי ובהמילטון שבמונטנה.
תחילתו של ה-NIH במוסד שנקרא "המעבדה להיגיינה" ואשר נוסד בשנת 1887. משגדל המוסד, הוא עבר ארגון מחדש בשנת 1930, ונקרא על פי חוק המכון הלאומי לבריאות (עדיין בלשון יחיד). היום ה-NIH הוא אחד ממכוני המחקר הביו-רפואי המובילים בעולם ומשמש מוקד לפעילות ממשלתית אמריקאית בתחום מחקרי בריאות. ה-NIH מורכב מ-27 מוסדות מחקר, מרכזי מחקר ולשכת מנהל ומהווה חלק מן המחלקה הממשלתית לבריאות ושירותי אנוש. המנהלת הנוכחית של ה-NIH היא מוניקה ברטנולי.
מטרת מחקרי ה-NIH היא לרכוש ידע חדש כדי למנוע, לאתר, לאבחן ולטפל במחלות ובנכויות. מחד מתבצעים ב-NIH מחקרים על מומים גנטיים נדירים ביותר, ומאידך חוקרים אף תופעות בריאותיות נפוצות כמו הצטננות. משימת ה-NIH היא לחשוף ידע חדש אשר יוביל לחיים בריאים יותר לכל. ה-NIH מנסה להגשים את משימתו על ידי ניהול מחקר במעבדותיו, תמיכה במחקר של מדענים, אוניברסיטאות, בתי ספר לרפואה, בתי חולים ומוסדות מחקר בארצות הברית ומחוצה לה, אשר אינם חלק מן המנגנון הממשלתי. ה-NIH פועל להכשרת חוקרים במדע ולעידוד והפצת מידע מתחום הרפואה ומדעי הבריאות.
המכונים הלאומיים לבריאות ידועים בקרב מדענים ישראליים רבים, שכן בשורותיהם מספר רב של פוסט-דוקטורנטים מישראל. ברוב המקרים, תוכנית הפוסט-דוקטורט כוללת שלוש-ארבע שנים של מחקר באחת ממעבדות המכונים, כאשר ממשלת ארצות הברית מנפיקה ויזת-עבודה למועמדים המתאימים. מלבד פוסט-דוקטורנטים, קיימת במכונים הלאומיים לבריאות תוכנית השתלמות לבעלי תואר ראשון הכוללת שנה או שנתיים של מחקר ביו-רפואי.
דירוג: המכונים הלאומיים לבריאות מדורגים במקום ה-14 בשנת 2022 על ידי Nature Index המודד את התורמים הגדולים ביותר למאמרי מחקר שפורסמו ב-82 כתבי עת מובילים.
מטרות המחקר במכון זה כוללות את ההבנה, הטיפול והמניעה של מחלות מידבקות, מחלות אלרגיות וחיסוניות. נוסד בשנת 1948. המכון מממן את פרויקט מיפוי הגנום של וירוסי השפעת לצורך שיפור הידע להתמודדות עם המחלה.
המכון הלאומי לדלקת מפרקים, מחלות שרירים ושלד ומחלות עור (NIAMS) (National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases)
המכון חוקר את הגורמים, הטיפול והמניעה של דלקת מפרקים, מחלות שרירים ושלד ומחלות עור. כמו כן הוא עוסק בהכשרת מדענים למחקר בתחומים אלה ולהפצת מידע על תוכניות מחקר בתחומים אלה. נוסד בשנת 1986.
המכון הלאומי להדמיה ביו-רפואית והנדסה ביו-רפואית (NIBIB) (National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering)
המכון הלאומי למחקר שיניים ופנים (NIDCR) (National Institute of Dental and Craniofacial Research)
מתמקד במחקר לטיפול ומניעת מחלות פה ולסת. נוסד בשנת 1948.
המכון הלאומי לסוכרת, עיכול ומחלות כליה (NIDDK) (National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases)
מנהל ותומך במחקר לסוכרת, אנדוקרינולוגיה ומחלות מטבוליות, מחלות בדרכי העיכול, תזונה, מחלות כליה, שלפוחית השתן ומחלות המטולוגיות. נוסד בשנת 1948.
המכון הלאומי להתמכרות לסמים (NIDA) (National Institute on Drug Abuse)
מנהל מחקרים על התמכרות לסמים והתמכרויות אחרות, הטיפול בהן וחקר מדינויות בנושאים אלה. נוסד בשנת 1973.
המכון הלאומי למדעי רפואה סביבתיים (NIEHS) (National Institute on Environmental Health Sciences)
המחקר מתמקד בשאלה כיצד חשיפה לגורמים סביבתיים, גורמים גנטיים וגורם הגיל משפיעים יחד על בריאות האדם. נוסד בשנת 1969.
המכון הלאומי למדעי הרפואה הכלליים (NIGMS) (National Institute of General Medical Sciences)
המכון תומך במחקר רפואי בסיסי שאינו מיועד לחקר מחלה מסוימת. המכון מממן מחקרים גנטיים, מחקרים על חלבונים ותאים. למכון תוכניות להכשרת דור החוקרים הבא בתחום מדעי הרפואה. נוסד בשנת 1962.
המכון הלאומי לבריאות הנפש (NIMH) (National Institute of Mental Health)
המכון מוקדש להבנת מחלות הנפש, הטיפול בהן ומניעתן. נוסד בשנת 1949.
המכון הלאומי לבריאות מיעוטים ופערים בריאותיים (NIMHD) (National Institute on Minority Health and Health Disparities)
המכון מוביל מחקר מדעי לשיפור בריאות המיעוטים ולמניעת פערים בבריאות. נוסד בשנת 2000.
המכון הלאומי למחלות עצבים ושבץ (NINDS) (National Institute of Neurological Disorders and Stroke)
המכון תומך במחקר בסיסי ומחקר קליני על מערכת העצבים הבריאה והחולה ומכשיר חוקרים בתחום מדעי המוח. נוסד בשנת 1950.
המכון הלאומי למחקר סיעודי (NINR) (National Institute of Nursing Research)
המכון מנהל מחקרים בתחום הטיפול הסיעודי בחולים במשך כל תקופות חיי האדם. נוסד בשנת 1986.
המרכז לטכנולוגיית מידע (CIT) (Center for Information Technology)
המרכז מספק ומנהל טכנולוגיות מידע ומקדם את הפיתוח המדעי החישובי. נוסד בשנת 1954
המרכז לביקורת מדעית (CSR) (Center for Scientific Review)
המרכז מוודא כי בקשות למענקי NIH זוכות לביקורות הוגנות, עצמאיות, מומחיות ובזמן - נטולות השפעות בלתי הולמות - כך ש-NIH יוכל לממן את המחקר המבטיח ביותר. נוסד בשנת 1946.
המרכז הבינלאומי פוגרטי (FIC) (Fogarty International Center)
המרכז תומך במחקר רפואי והתנהגותי בינלאומי ומכשיר חוקרים בינלאומיים. נוסד בשנת 1968.
המרכז הלאומי לקידום מדעי התרגום (NCATS) (National Center for Advancing Translational Sciences)
המרכז משנה את התרגום של תגליות מדעיות כך שניתן יהיה להעביר טיפולים חדשים ותרופות למחלות לחולים מהר יותר. נוסד בשנת 2011.
המרכז הארצי לבריאות משלימה ואינטגרטיבית (NCCIH) (National Center for Complementary and Integrative Health)
המרכז מגדיר באמצעות חקירה מדעית קפדנית את התועלת והבטיחות של התערבויות ברפואה משלימה ואלטרנטיבית ותפקידיהן בשיפור הבריאות. נוסד בשנת 1998.
המרכז הקליני הלאומי לבריאות (CC) (National Institutes of Health Clinical Center)
המרכז מקדם חדשנות, תאום מחקר ומספק הכשרה לסטודנטים. נוסד בשנת 1953.