研究所下设细胞生物室、神经分子病理室、病理生理研究室、神经药物研发室、神经损伤修复室、神经流行病学室、脑肿瘤研究室、功能神经外科研究室、颅脑创伤室、神经解剖室、功能神经影像研究室等14个基础研究室，神经病理中心、神经电生理室、神经介入研究室、伽玛刀研究室等6个临床研究室。作为首都医科大学二级学院，获批博士生培养点4个，硕士生培养点6个，以神经科学为中心，包括基础学科和临床学科，神经肿瘤、神经介入、神经分子病理、神经电生理、功能神外、周围神经外科等特色专业，现有研究生导师31人。《中华神经外科杂志》编辑部、全国脑血管病防治研究办公室、北京市脑血管病防治指导办公室挂靠该所。北京神经外科学院、清华大学临床神经科学研究院及首都医科大学神经外科学院办公室均设在本所。

临床基地北京天坛医院神经外科设有：脑血管病、颅内肿瘤、外伤、小儿、脊髓、功能神经外科、介入神经放射及综合科等13个病区，400余张病床，2010年神经外科手术量9000余例，神经介入及放射外科手术量2000余例。

神经外科研究所以北京天坛医院为研究基地，坚持临床与科研相结合的道路，为我国神经外科的发展，做出了贡献。研究所承担着脑肿瘤、脑血管病、脑外伤、神经影像学、神经电生理以及神经修复与再生等方面的的基础及临床研究。特别对颅内肿瘤、脑动脉瘤、脑血管畸形、脑干肿瘤、脊髓内肿瘤等的显微手术治疗以及中枢神经系统损伤重点实验室的建立，使该所神经外科达到了先进国家水平。

60年来，研究所坚决贯彻党中央科教兴国战略方针，与时俱进、开拓创新，瞄准21世纪世界神经科学发展的先进水平，努力把我国神经外科的发展和建设推向新的里程。

所长王忠诚院士于1997年获香港何梁何利基金“科学与技术成就奖”大奖，2000年被授予白求恩奖章，2001年获第12届世界神经外科最高奖，这是迄今获此殊荣的第一个中国人。2006年11月在阿联酋迪拜召开的第八届亚大颅底神经外科学术会上，荣获为表彰国际上为颅底神经外科作出贡献的一流神经外科大师，而颁发的“领导促进颅底外科贡献”奖。2009年1月9日，中国工程院院士、北京市神经外科研究所所长、北京天坛医院名誉院长王忠诚获得2008年度国家最高科学技术奖。

研究所先后共承担课题600余项，取得科研成果400余项，其中国家级30余项，国际4项。发表SCI收录及核心期刊论文4000余篇，其中以脑肿瘤研究为代表的重大科研成果发表于国际顶级学术期刊《Cell》杂志。2009年王忠诚院士获得2008年度“国家最高科学技术奖”。2012年中国科学院国家天文台将编号第18593号小行星永久命名为“王忠诚星”。2019年王忠诚院士获评“最美奋斗者”荣誉称号。

近年来研究所布局多项产业规划，加强新药研发和医疗器械的自主创新，获得专利授权数91项，软件著作权30项，完成7项科技成果转化。2021年，神经系统肿瘤靶向药物与细胞治疗北京市工程研究中心获北京市发改委批复，将建立靶向药物研发、免疫疗法创新和分子诊断开发三大平台，开展新型神经肿瘤药物及分子诊断产品研发、临床试验及科技成果转化。

研究所拥有优秀的研究生教育实力，是培养神经外科临床医生和科研人员的摇篮。作为首都医科大学二级学院，获批博士生培养点4个，硕士生培养点6个，以神经科学为中心，包括基础学科和临床学科，神经肿瘤、神经介入、神经分子病理、神经电生理、功能神外、周围神经外科等特色专业，现有研究生导师31人。

研究所始终以“王忠诚精神”为指引，不忘为人民谋取健康福祉的初心，坚持创新驱动发展，以转化医学研究为主线，以临床重大需求为导向，聚焦神经外科领域重大、疑难疾病的基础与临床问题，致力于新理论、新技术、新方法的研究和转化应用，不断提升科技创新能力，构建产学研用一体化生态循环医学基地，走出一条有中国特色的神经外科创新与转化之路。