연구단은 총 50개로 3000명 규모로 구성된다. 연구단은 대전 본원에 15개 내외, KAIST 연합캠퍼스와 대구경북연합캠퍼스에 각각 10개, 광주과기원연합캠퍼스에 5개가 설치되며, 기타 외부지역에 10개 내외가 설치된다. 이를 위해 내년 2월부터 산하 50개 연구단의 선정·평가 작업을 본격화할 예정이다.

개원 초기에는 연구단의 테마를 정하지 않고 기초과학연구원의 연구 영역 안에서 포괄적으로 우수 인재들을 연구단장으로 선임하다가, 연구원이 안정기에 접어들면 기존 연구단이나 국내외 동향을 고려해 사전에 연구 테마를 정한 뒤 그에 맞는 연구단장을 찾을 계획이다.

연구단장 자격은 연구활동에 장기간 전념할 수 있고, 세계적 과학저널에 주 저자로 논문을 게재한 실적이 있으며, 대형 연구과제 수행·관리 능력을 갖춰야 한다. 선임된 단장은 연구단 구성과 연구내용 등 운영에 대해 독립성을 갖게된다.

개별 연구단 규모는 주제에 따라 차이가 있으나 평균 50명 안팎으로 연 100억원 정도 예산을 지원받는다. 과학벨트의 또 다른 핵심 요소인 중이온가속기는 연구원 부설 '가속기연구소'가 주도적으로 운영·지원한다. 가속기연구소 소속 인원 규모는 약 150명 수준이며 연구소는 기초과학연구원으로부터 독립된 직제, 인사, 사업관리 체계를 갖춘다.