UNESCO hoạt động theo hệ thống phân quyền như sau: Cao nhất là Đại hội đồng, lãnh đạo Tổ chức giữa các Đại hội đồng là Hội đồng Chấp hành, Ban Thư ký và Tổng Giám đốc là cơ quan triển khai các hoạt động của Tổ chức và các Uỷ ban Quốc gia UNESCO tại các quốc gia thành viên là đầu mối quan hệ giữa UNESCO với các chính phủ thành viên.

Đại hội đồng là cơ quan quyền lực cao nhất của UNESCO bao gồm tất cả các quốc gia thành viên. Mỗi nước được cử ra 5 đại biểu đại diện cho chính phủ làm thành viên chính thức tại Đại hội đồng. Ngoài ra còn có sự tham gia của các thành viên liên kết và các quan sát viên bao gồm đại diện của các nước không phải là thành viên, các tổ chức liên chính phủ và phi chính phủ. Mỗi quốc gia thành viên chỉ có một phiếu bầu, bất kể là quốc gia lớn hay bé, đóng góp tài chính cho UNESCO nhiều hay ít.

Đại hội đồng họp hai năm một lần để đưa ra các quyết sách, phương hướng và đường lối liên quan đến hoạt động của tổ chức. Nhiệm vụ chính của Đại hội đồng là xây dựng các chương trình và ngân sách của UNESCO và bầu ra các thành viên của Hội đồng Chấp hành và bốn năm một lần bầu Tổng Giám đốc UNESCO. Ngôn ngữ làm việc chính thức tại Đại hội đồng là sáu thứ tiếng, đó là tiếng ẢRập, tiếng Anh, tiếng Nga, tiếng Pháp, tiếng Trung và tiếng Tây Ban Nha.

Hội đồng Chấp hành UNESCO thực chất là một hình thức đảm bảo sự quản lý toàn diện đối với UNESCO. Hội đồng Chấp hành có nhiệm vụ chuẩn bị cho Đại hội đồng và xem xét các quyết sách được đưa ra có đúng đắn hay không. Các chức năng và trách nhiệm của Hội đồng Chấp hành được Công ước của UNESCO quy định và dựa vào các quy tắc do Đại hội đồng phê chuẩn. Hai năm một lần Đại hội đồng lại ấn định những nhiệm vụ đặc biệt cho Hội đồng Chấp hành. Những chức năng khác của Hội đồng Chấp hành có liên quan đến các thoả thuận giữa UNESCO với Liên Hợp Quốc, với các tổ chức chuyên môn của Liên Hợp Quốc, với các tổ chức liên chính phủ khác.

Hội đồng Chấp hành có 58 uỷ viên do Đại hội đồng bầu ra. Việc lựa chọn các uỷ viên Hội đồng Chấp hành có liên quan đến tính đại diện cho các các nền văn hoá đa dạng và cơ cấu theo khu vực địa lý. Để bảo đảm cho cơ cấu Hội đồng Chấp hành có đủ các thành phần đại diện cho các khu vực và các nền văn hoá khác nhau thường cần đến một phương pháp đàm phán khéo léo, nhưng cần thiết phải phản ánh đầy đủ tính chất toàn cầu của một tổ chức liên chính phủ. Hội đồng Chấp hành họp mỗi năm hai kỳ.

Ban Thư ký bao gồm Tổng Giám đốc và bộ máy công chức và nhân viên do Tổng Giám đốc tuyển dụng và bổ nhiệm. Tổng Giám đốc là người chịu trách nhiệm trong việc đưa ra các đề nghị liên quan đến hành động thích hợp để Đại hội động và Hội đồng Chấp hành thông qua, đồng thời là người chịu trách nhiệm dự thảo chương trình và ngân sách hai năm của Tổ chức. Bộ máy của Ban Thư ký có trách nhiệm thi hành các chương trình đã được Đại hội đồng và Hội đồng Chấp hành phê chuẩn. Bộ máy được phân loại theo các cấp bậc công chức chuyên nghiệp và nhân viên phục vụ. Tính đến tháng 7-2005 Ban Thư ký UNESCO có 2.160 người đến từ 170 quốc gia. Trong tình hình UNESCO chủ trương phân quyền bộ máy, hiện nay UNESCO có trên 680 người đang làm việc tại 58 văn phòng chuyên môn tại các khu vực khác nhau trên thế giới.

Tổng giám đốc được Đại hội đồng bầu cho một nhiệm kỳ 4 năm (trước đây nhiệm kỳ Tổng Giám đốc là 6 năm). Tổng Giám đốc đầu tiên của UNESCO là Ngài Julian Huxley, người Anh, lãnh đạo UNESCO từ 1946-1948. Tổng Giám đốc hiện tại của UNESCO được bầu vào năm 1999, là Ngài Koichiro Matsuura, là người Nhật Bản.

Uỷ ban Quốc gia UNESCO là tổ chức duy nhất trong Liên Hợp Quốc có hệ thống Uỷ ban Quốc gia tại các quốc gia thành viên. Uỷ ban Quốc gia là một mắt xích quan trọng nối một xã hội dân sự với Tổ chức UNESCO. Các uỷ ban này có trách nhiệm nắm vững các vấn đề liên quan đến các chương trình của UNESCO và giúp đỡ các quốc gia bằng nhiều sáng kiến như các chương trình đào tạo, học tập, các cuộc vận động nhằm tăng cường kiến thức cho cộng đồng về UNESCO. Các Uỷ ban Quốc gia cũng phát triển hệ thống các đối tác từ các khu vực tư nhân để tranh thủ các kinh nghiệm về kỹ thuật và chuyên môn cũng như tranh thủ tăng thêm nguồn ngân sách.