激光加工国家工程研究中心设立综合管理部（含人力、行政、财务、宣传等职能），公共平台部（含成果转化、CNAS实验室、知识产权、培训等职能）；成立技术研究院，下设激光加工前沿技术研究所、工业光纤激光器研究所、工业超快激光器研究所、激光智能制造研究所、激光精密加工研究所5个研究所，开展核心技术公关，技术研究院实行首席科学家负责制度。

实际运行中，依照自身特点，围绕市场需求，进行资源优化，形成了“一个中心，三个基地”的运行模式。一个中心即激光加工国家工程研究中心，三个基地分别为研发基地（5个研究所）、产业化基地（“华工激光”及其孵化参股的12家激光公司）和成果推广和应用基地（全国7个分中心）。研发基地采用高校运行模式，以产业化基地提出的技术问题为主要研究内容，承担新型工业激光器、核心器件和激光材料加工机理研发，培养激光加工行业高级人才。产业化基地“华工激光”及其孵化参股公司，采用企业运行模式，重点将研发基地成果进行工程化、标准化和产业化，负责新产品规模化生产并推向市场，每个事业部都有相关企业进行成果转化。产业化基地和研发基地共同承担国家项目和大型企业的重大项目，共同实现工程化验证，并进一步制定标准，形成新产品。成果推广与应用基地（分中心）采用企业运行模式，重点将研发基地和产业化基地的成果和产品，结合当地经济需求，进行成果推广和应用。