Ministeriet består af et departement, GEUS, DMI, Energistyrelsen, Bygningsstyrelsen, Energiklagenævnet, Energinet.dk og Energitilsynet.
Departementet
Departementet fungerer som klima-, energi- og bygningsministerens rådgiver og varetager den politikudviklende del af Klima-, Energi- og Bygningsministeriets arbejde med input fra institutionerne. Departementet i Klima-, Energi- og Bygningsministeriet varetager primært koordination og udvikling af den nationale klima-, energi- og bygningspolitik, forhandling og gennemførelse af internationale aftaler og EU-lovgivning samt koordination på tværs af det samlede ministerområde. I faglige spørgsmål rådfører departementet sig med eksperter i Klima-, Energi- og Bygningsministeriets øvrige institutioner.
Institutioner
Udover departementet består ministerområdet af følgende institutioner:

Energistyrelsen har ansvaret for hele kæden af opgaver knyttet til produktion og forsyning, transport og forbrug af energi, herunder energieffektivisering og – besparelser samt nationale CO2-mål og indsats til begrænsning af udslippet af drivhusgasser.
I tilknytning til Energistyrelsen findes Energiteknologisk Udviklings- og Demonstrationsprogram (EUDP).

EUDP er et Energiteknologisk Udviklings- og Demonstrationsprogram, der støtter udvikling og demonstration af nye energiteknologier. Programmet blev oprettet ved lov i 2008. Programmet ledes af en uafhængig bestyrelse, som er udpeget af klima-, energi- og bygningsministeren. Sekretariatsfunktionen er placeret i Energistyrelsen.

Bygningsstyrelsen løser opgaver inden for alle faser af byggeri: køb, salg, leje, byggeri, planlægning, udvikling, renovering og vedligehold. Desuden skal Bygningsstyrelsen håndtere lov om offentligt byggeri. Bygningsstyrelsen iværksætter initiativer med henblik på at opnå energibesparelser og fremme energieffektiv adfærd i statslige institutioner.

GEUS - De Nationale Geologiske Undersøgelser for Danmark og Grønland er en uafhængig forskningsinstitution, der forsker og yder rådgivning inden for natur, miljø, energi og råstoffer til offentlige myndigheder og private. GEUS er ansvarlig for den videnskabelige udforskning af de geologiske forhold i Danmark og Grønland med tilhørende sokkelområder. GEUS foretager kortlægning, overvågning, dataindsamling, dataforvaltning og formidling om geologiske forhold og er nationalt geologisk datacenter.
DMI - Danmarks Meteorologiske Institut varetager de meteorologiske samfundsopgaver i Danmark og Grønland med omgivende farvande og luftrum. Den meteorologiske betjening omfatter prognose- og varslingstjeneste samt kontinuerlig overvågning af vejr, klima og dertil relaterede miljømæssige forhold i atmosfæren, på landjorden og i havet. DMI varetager Danmarks internationale forpligtelser på det meteorologiske område, herunder målinger og global dataudveksling.

Energiklagenævnet er en uafhængig institution og den sidste administrative klageinstans inden for energiområdet. Der kan klages til Energiklagenævnet over afgørelser i sager, hvor andre myndigheder har truffet afgørelse efter en række love inden for energiområdet, for eksempel varmeforsyningsloven og elforsyningsloven.

Energinet.dk er en selvstændig, offentlig virksomhed der ejer og driver det overordnede el- og naturgasnet samt et gaslager. Som ansvarlig for el- og naturgassystemerne sørger Energinet.dk for en sikker energiforsyning og skaber rammerne for velfungerende energimarkeder og effektiv indpasning af vedvarende energi.

Energitilsynet regulerer forholdene på markederne for elektricitet, naturgas og fjernvarme. På el-området er reguleringen koncentreret om elnetselskaberne, ligesom reguleringen på naturgasmarkedet også er koncentreret om net-selskaberne. Energitilsynet fastsætter også prisen på naturgas til forsyningspligt-kunderne, og på varmeområdet fører Energitilsynet tilsyn med værkernes priser og leveringsbetingelser.