Thule-instituutin tutkimuskeskuksen osana on neljä yksikköä, jotka ovat erikoistuneet instituutin tutkimuksen painoaloille. Lisäksi instituutissa sijaitsee Ympäristö- ja energia-alan innovaatiokeskittymän toimipiste.

Thule-instituutti keskittyy ympäristö-, luonnonvara - ja pohjoisuuskysymysten monitieteiseen tutkimukseen ja opetukseen.

• Arktisen lääketieteen keskus keskittyy pohjoisten alueiden ihmisten terveyden ja hyvinvoinnin monitieteiseen ja tieteidenväliseen tutkimukseen ja koulutukseen. 

• NorNet-verkosto on Oulun yliopiston sekä ympäristö- ja luonnonvara-alan tutkimuslaitosten yhteistyöverkosto. NorNet-verkoston koordinaatioyksikkö toimii Thule-instituutissa.

• NorTech Oulu on ympäristötekniikan tutkimusyksikkö, joka koordinoi ja toteuttaa ympäristötekniikan koulutus-, tutkimus- ja liiketoimintayhteistyön kehittämistoimintaa.

• Oulangan tutkimusasema on Kuusamossa sijaitseva alueyksikkö. Asema palvelee bio- ja geotieteellistä tutkimusta ja opetusta ja tarjoaa modernin tutkimus- ja koulutusympäristön niin tutkijoille, opiskelijoille, opettajille kuin kurssien, seminaarien sekä kongressien järjestäjille.

• Ympäristö- ja energia-alan innovaatiokeskittymä CEE (Centre for Environment and Energy) edistää alansa tutkimus- ja yritysyhteistyötä sekä innovaatioiden kaupallistamista.