La NASA consacre environ un quart de ses ressources financières aux activités purement scientifiques. Celles-ci se répartissent entre quatre thèmes qui par ordre de budget décroissant sont :
Environ 20% du budget est consacré aux activités de support : gestion des centres spatiaux, maintenance et réalisation d'équipements. La recherche aéronautique, activité d'origine de l'agence, pèse relativement peu (quelque pour-cents du budget). Enfin près de 50% du budget est consacrée directement ou indirectement au vol spatial habité. Cette partie de l'activité est particulièrement fluctuante.
Le budget de l'année 2009 s'élève à 17,6 milliards de dollars. Le président Obama a présenté en février 2010 le budget prévisionnel 2011-2015..
L'activité spatiale américaine civile et militaire est répartie entre plusieurs agences. Parmi celles-ci la NASA ne dispose que du deuxième budget par ordre d'importance :
Le directeur de la NASA est désigné par le président des États-Unis, après consultation et accord du Sénat américain. Le directeur en poste depuis mai 2009 est Charles F. Bolden ancien astronaute. Le siège de la NASA se trouve à Washington (District de Columbia). Quatre directions (directorate) sont chargées de définir la politique spatiale et de contrôler sa mise en œuvre par les différents centres de la NASA : la direction de la Recherche Aéronautique (directorate ARMD), celle des Sciences (SMD) chargée de l'exploration scientifique de la Terre, du système solaire et de l'univers, la direction des Systèmes d'Exploration (EMSD) qui réalise les développements nécessaires aux vols humains et robotiques et enfin la direction des opérations Spatiales (SOMD) responsable des lancements et du suivi des missions.
La NASA comporte 10 centres spatiaux qui emploient directement 23 000 personnes (dont 5000 au Jet Propulsion Laboratory) ainsi qu'un grand nombre de sous-traitants sur site :
Le Centre spatial Lyndon B. Johnson (ou MSC Manned Spacecraft Center) situé près de Houston au Texas, est dédié à la conception et la qualification des engins spatiaux habités (station spatiale, vaisseaux spatiaux), l'entraînement des astronautes et le suivi des missions à partir de leur décollage. Parmi les installations présentes sur le site, on trouve le centre de contrôle des missions habitées (station spatiale internationale, navette spatiale), les simulateurs de vol et des équipements destinés à simuler les conditions spatiales et utilisés pour tester les composants livrés par les fournisseurs de la NASA. Le centre gère l'établissement de White Sands au Nouveau-Mexique qui est utilisé pour tester différents équipements faisant essentiellement partie du programme de la navette spatiale.
Le Centre de vol spatial Marshall (George C. Marshall Space Flight Center ou MSFC) situé près de Huntsville dans l'Alabama est spécialisé dans la propulsion des lanceurs civils et des vaisseaux spatiaux. Aujourd'hui le centre Marshall est responsable de la propulsion de la navette spatiale américaine et des charges utiles de celle-ci ainsi que des lanceurs et vaisseaux du programme Constellation. Le centre est responsable de l'établissement de Michoud où est assemblé le réservoir externe de la navette spatiale. Il gère également le programme des sondes lunaires. Cette ancienne installation de l'Armée de Terre (Redstone Arsenal) autrefois dirigée par Wernher von Braun a mis au point la famille de lanceurs Saturn.
Le Jet Propulsion Laboratory (JPL), situé près de Los Angeles en Californie, est responsable du développement et de la gestion opérationnelle de la majorité des sondes spatiales de la NASA, de certains satellites d'observation de la Terre ainsi que d'instruments embarqués sur les satellites scientifiques en orbite terrestre. Le JPL gère également les 3 groupes d'antennes situés en Australie, Espagne et Californie du Deep Space Network qui est utilisé pour les communications avec les sondes spatiales. Créé dans les années 1930 pour étudier la propulsion des fusées, à l'origine de son appellation, c'est une coentreprise entre la NASA et le Caltech.
Le Centre de recherche Ames est un établissement ancien (1939) situé en Californie au cœur de la Silicon Valley. Initialement connu pour ses souffleries utilisées notamment pour mettre au point la forme de la capsule Apollo, l'établissement est aujourd'hui spécialisé dans l'informatique embarquée sur les vaisseaux et sondes, les supercalculateurs, la gestion du trafic aérien ainsi que l'exobiologie. Le centre est responsable de quelques programmes spatiaux comme les sondes lunaires LCROSS, LADEE, le télescope spatial Kepler et le télescope aéroporté SOFIA.
Le Centre de recherche de Langley situé en Virginie est le plus ancien des centres de la NASA (1917). On y effectue des recherches sur l'aérodynamisme des avions à l'aide de plusieurs souffleries. Les chercheurs de Langley travaillent également sur le changement climatique.
Le Centre du vol spatial Goddard, situé à environ 10 km au nord-est de Washington DC dans l'État du Maryland, est le plus important centre de recherche de la NASA et emploie environ 10 000 personnes en incluant les sous-traitans. L'établissement est responsable du développement et de la gestion des télescopes et observatoires spatiaux développés par la NASA ainsi que sur la plupart des satellites d'observation de la Terre. L'établissement gère également le Centre de Wallops Island consacré au lancement de ballons, de fusées-sondes ou de petits satellites scientifiques (à l’aide notamment de fusées Scout).
Le Centre de recherche Glenn, situé près de Cleveland dans l'Ohio, est traditionnellement spécialisé dans la mise au point des techniques de propulsion (cryogénique, électrique).
Le Centre de recherche en vol de Dryden situé dans le désert des Mojaves en Californie est utilisé pour effectuer des tests en vol atmosphérique. C'est également le site d'atterrissage de secours pour la navette spatiale lorsque les conditions atmosphériques ne sont pas favorables à Kennedy.
Le Centre spatial John C. Stennis situé dans le Mississippi rassemble plusieurs bancs d'essais utilisés pour tester les moteurs-fusée développés pour les différents programmes.
Le Centre spatial Kennedy (KSC), situé sur l'île Meritt en Floride, est le site d'où sont lancées les navettes spatiales. Au cœur du centre spatial, le complexe de lancement 39 comporte 2 aires de lancement et un immense bâtiment d'assemblage, le VAB (hauteur 140 mètres), dans lequel la navette spatiale est préparée. Plusieurs plates-formes de lancement mobile permettent de transporter la navette jusqu'au site de lancement. Le centre spatial Kennedy jouxte la base de lancement Cape Canaveral d'où sont lancés les sondes spatiales de la NASA.