國家能源局成立於2008年。
國家能源局的前身可以追溯到新中國成立時設立的燃料工業部。1982年國務院能源委員會成立，承擔能源行業監管職能。1988年能源部成立。1993年能源部撤消。2008年成立國家能源局，下轄11個局機關。2010年1月28日，為加強能源戰略決策和統籌協調，國務院決定成立國家能源委員會。
國家能源局設12個內設機構：
（壹）綜合司負責文電、會務、機要、檔案、督查、財務、資產管理等機關日常運轉工作，承擔政務公開、安全保密、信訪，以及能源行業統計、預測預警等工作，承擔國家能源委員會辦公室的綜合協調工作。
（二）法制和體制改革司研究能源重大問題，組織起草能源發展和有關監督管理的法律法規、規章送審稿，承擔有關規範性文件的合法性審核工作，承擔行政執法監督、行政復議、行政應訴等工作，承擔能源體制改革有關工作。
（三）發展規劃司研究提出能源發展戰略建議，組織擬訂能源發展規劃、年度計劃和產業政策，參與研究全國能源消費總量控制工作方案，指導、監督能源消費總量控制有關工作，承擔能源綜合業務。
（四）能源節約和科技裝備司指導能源行業節能和資源綜合利用工作，承擔科技進步和裝備相關工作，組織擬訂能源行業標準（煤炭除外）。
（五）電力司擬訂火電和電網有關發展規劃、計劃和政策並組織實施，承擔電力體制改革有關工作，銜接電力供需平衡。
（六）核電司擬訂核電發展規劃、計劃和政策並組織實施，組織核電廠的核事故應急管理工作。
（七）煤炭司擬訂煤炭開發、煤層氣、煤炭加工轉化為清潔能源產品的發展規劃、計劃和政策並組織實施，承擔煤炭體制改革有關工作，協調有關方面開展煤層氣開發、淘汰煤炭落後產能、煤礦瓦斯治理和利用工作。
（八）石油天然氣司（國家石油儲備辦公室）擬訂油氣開發、煉油發展規劃、計劃和政策並組織實施，承擔石油天然氣體制改革有關工作，承擔國家石油、天然氣儲備管理工作，監督管理商業石油、天然氣儲備。
（九）新能源和可再生能源司。指導協調新能源、可再生能源和農村能源發展，組織擬訂新能源、水能、生物質能和其他可再生能源發展規劃、計劃和政策並組織實施。
（十）市場監管司組織擬訂電力市場發展規劃和區域電力市場設置方案，監管電力市場運行，監管輸電、供電和非競爭性發電業務，處理電力市場糾紛，研究提出調整電價建議，監督檢查有關電價和各項輔助服務收費標準，研究提出電力普遍服務政策的建議並監督實施，監管油氣管網設施的公平開放。
（十壹）電力安全監管司組織擬訂除核安全外的電力運行安全、電力建設工程施工安全、工程質量安全監督管理辦法的政策措施並監督實施，承擔電力安全生產監督管理、可靠性管理和電力應急工作，負責水電站大壩的安全監督管理，依法組織或參與電力生產安全事故調查處理。
（十二）國際合作司組織推進能源國際交流與合作，按分工承擔同外國能源主管部門和國際能源組織談判並簽訂協議有關工作，擬訂能源對外開放戰略、規劃及政策，協調境外能源開發利用。
國家能源局的機構職責
（壹）負責起草能源發展和有關監督管理的法律法規送審稿和規章，擬訂並組織實施能源發展戰略、規劃和政策，推進能源體制改革，擬訂有關改革方案，協調能源發展和改革中的重大問題。
（二）組織制定煤炭、石油、天然氣、電力、新能源和可再生能源等能源，以及煉油、煤制燃料和燃料乙醇的產業政策及相關標準。按國務院規定權限，審批、核準、審核能源固定資產投資項目。指導協調農村能源發展工作。
（三）組織推進能源重大設備研發及其相關重大科研項目，指導能源科技進步、成套設備的引進消化創新，組織協調相關重大示範工程和推廣應用新產品、新技術、新設備。
（四）負責核電管理，擬訂核電發展規劃、準入條件、技術標準並組織實施，提出核電布局和重大項目審核意見，組織協調和指導核電科研工作，組織核電廠的核事故應急管理工作。
（五）負責能源行業節能和資源綜合利用，參與研究能源消費總量控制目標建議，指導、監督能源消費總量控制有關工作，銜接能源生產建設和供需平衡。
（六）負責能源預測預警，發布能源信息，參與能源運行調節和應急保障，擬訂國家石油、天然氣儲備規劃、政策並實施管理，監測國內外市場供求變化，提出國家石油、天然氣儲備訂貨、輪換和動用建議並組織實施，按規定權限審批或審核石油、天然氣儲備設施項目，監督管理商業石油、天然氣儲備。
（七）監管電力市場運行，規範電力市場秩序，監督檢查有關電價，擬訂各項電力輔助服務價格，研究提出電力普遍服務政策的建議並監督實施，負責電力行政執法。監管油氣管網設施的公平開放。
（八）負責電力安全生產監督管理、可靠性管理和電力應急工作，制定除核安全外的電力運行安全、電力建設工程施工安全、工程質量安全監督管理辦法並組織監督實施，組織實施依法設定的行政許可。依法組織或參與電力生產安全事故調查處理。
（九）組織推進能源國際合作，按分工同外國能源主管部門和國際能源組織談判並簽訂協議，協調境外能源開發利用工作。按規定權限核準或審核能源（煤炭、石油、天然氣、電力等）境外重大投資項目。
（十）參與制定與能源相關的資源、財稅、環保及應對氣候變化等政策，提出能源價格調整和進出口總量建議。
（十壹）承擔國家能源委員會具體工作。負責國家能源發展戰略決策的綜合協調和服務保障，推動建立健全協調聯動機制。
（十二）承辦國務院、國家能源委員會以及國家發展和改革委員會交辦的其他事項。