สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ มีภารกิจหลัก 2 ส่วน คือ

• ให้บริการ เผยแพร่ และการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีนิวเคลียร์ของประเทศ
  • ศูนย์บริการเทคโนโลยีนิวเคลียร์ ให้บริการวิเคราะห์ ทดสอบ สอบเทียบทางเทคโนโลยีนิวเคลียร์
  • ศูนย์ฉายรังสีอาหาร ให้การบริการฉายรังสีผลิตภัณฑ์อาหาร และผลิตผลการเกษตร เช่น เครื่องเทศ สมุนไพร ผลไม้ ผลิตภัณฑ์อาหารทะเล และแหนม นอกจากนั้นศูนย์ฉายรังสีแห่งนี้ยังช่วยส่งเสริมการส่งออกด้วยการให้บริการฉายรังสีผลไม้ 6 ชนิด ได้แก่ มะม่วง ลำไย เงาะ ลิ้นจี่ สับปะรด และมังคุด เพื่อให้สามารถส่งออกไปขายยังสหรัฐอเมริกาได้
  • ศูนย์ไอโซโทปรังสี ให้บริการผลิตสารไอโซโทปรังสี จัดส่งให้โรงพยาบาล และสถาบันต่างๆ 25 แห่งรวมทั้งบริการฉายรังสีผลิตภัณฑ์ทางการแพทย์
  • ศูนย์ฉายรังสีอัญมณี ให้บริการฉายรังสีอัญมณีเพื่อเพิ่มมูลค่า เช่น การเปลี่ยนสีของพลอยโทแพซ ให้เป็นสีฟ้าทำให้มีมูลค่าเพิ่มขึ้น
  • ศูนย์จัดการกากกัมมันตรังสี รับริการจัดการกากกัมมันตรังสี รับจัดการกากกัมมันตรังสีจากทั่วประเทศ
• การวิจัยและพัฒนา เทคโนโลยีนิวเคลียร์
  • การวิจัยด้านการแพทย์และสาธารณสุข เป็นการใช้เครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูวิจัย เพื่อผลิตไอโซโทปรังสีสารประกอบติดฉลากรังสีสำหรับการตรวจวินิจฉัย และรักษาโรค เช่น สารประกอบไอโอดีน-131 ใช้ตรวจรักษามะเร็งต่อมไทรอยด์ สารประกอบเทคนีเชียม-99 เอ็ม หลายชนิด ใช้ตรวจอวัยวะภายใน เช่น กระดูก ปอด ไต และสารประกอบซาแมเรียม-153 มีรังสีบีตาที่สามารถทำลายเซลล์มะเร็งในกระดูก ใช้บรรเทาความเจ็บปวดให้แก่ผู้ป่วยที่เป็นมะเร็งกระดูกระยะสุดท้าย
  • การวิจัยด้านเทคโนโลยีชีวภาพและการเกษตร ได้แก่ การปรับปรุงพันธุ์พืช โดยใช้เทคนิคการฉายรังสี ซึ่งจะมีสารต้นกำเนิดรังสีแกมมาที่ชื่อว่า โคบอลต์ 60 ปัจจุบันนี้มีผลิตผลทางการเษตรที่สามารถปรับปรุงพันธุ์ได้สำเร็จ เช่น ข้าวขาวดอกมะลิ 105 และการฉายรังสีบัวหลวงสีเหลือง ซึ่งมีต้นกำเนิดอยู่ที่สหรัฐอเมริกา ให้สามารถปลูกในประเทศไทยได้สำเร็จเป็นแห่งแรกของเอเซีย นอกจากนี้ยังมีการกำจัดแมลงศัตรูพืชด้วยเทคนิคการฉายรังสี ทำให้แมลงเป็นหมัน เช่น จังหวัดกำแพงเพชร จังหวัดนครนายก และ จังหวัดจันทบุรี และการถนอมอาหารด้วยการฉายรังสี เช่น ผลไม้เพื่อการส่งออก
  • การวิจัยด้านวัสดุศาสตร์และอุตสาหกรรม สามารถนำประโยชน์ของรังสีมาใช้ในการปรับปรุงคุณสมบัติของวัสดุ เช่น การฉายรังสีสายไฟ เพื่อให้ฉนวนทนความร้อนมากขึ้น การเตรียมวัสดุปิดแผลสดจากไฮโดรเจน เพื่อช่วยให้แผลหายเร็วขึ้น
  • การวิจัยด้านสิ่งแวดล้อมและความปลอดภัย โดยการนำเอาองค์ความรู้ที่ได้มาตรวจสอบสารกัมมันตรังสีต่างๆ ในธรรมชาติ เช่น ยูเรเนียม และในร่างกายมนุษย์ก็มีสารกัมมันตรังสีอยู่ด้วยเช่นกัน ขณะนี้ได้มีการจัดตั้งห้องปฏิบัติการไอโซโทปโฮโดรโลจี้ เป็นการใช้เทคโนโลยีไอโซโทปในการศึกษาอัตราการไหลของน้ำบาดาล การหาแหล่งที่มาของน้ำบาดาล เพื่อประโยชน์ในการจัดการทรัพยากรน้ำ