GEO成立之初就按照“自愿、灵活且表决一致通过的原则”运行，GEO秘书处依托WMO代管。

GEO成员有三类。一是成员国及欧盟委员会，二是参加组织，三是关联组织，成员国是GEO的主体和唯一决策者。成员国与参与组织每个成员都指定一位首席代表（Principal）和最多两位首席代表代理（Alternate）。

GEO部长级峰会主要是在更高层面指导和推动GEO的发展，根据GEO的发展适时召开，通常与GEO全会套开。部长级峰会原则上每4年组织召开一次，并在亚洲及大洋洲、非洲、欧洲和美洲等四大区域轮流举办。会议由GEO主办，举办国承办，参加会议的代表是GEO各成员国部长级高官和首席代表。

GEO全会是最高决策机构，每年召开一次，在各大区域轮流举办，由当年轮值主席主持。

GEO执委会在全会闭会期间行使全会的权利，从2017年开始每年召开三次会议，其中一次与全会套开，由当年轮值主席主持。目前有16个执委会成员国，另有3个参加组织作为观察员参会。

GEO联合主席国在执委会闭会期间主持工作，分别代表不同的区域发达或发展中国家。目前，中国、欧盟、美国和南非为联合主席国。GEO自2017年起改为由联合主席轮流担任轮值主席主持年度工作的模式。目前四个联合主席分别是中国科技部副部长黄卫先生、美国国家海洋和大气管理局助理局长斯蒂芬·沃尔兹先生、南非科技部技术创新总司副总司长恩波涅尼·莫斐先生和欧盟委员会科研与创新总司副总司长帕特里克·安东尼·柴尔德先生。

GEO秘书处为日常办事机构，依托世界气象组织（WMO），总部设在瑞士日内瓦。目前秘书处主任由美国籍的亚娜·格沃艮女士担任，其任期自2021年7月至2024年6月。

计划管理委员会（Programme Board，PB）主要负责监督GEO工作计划项目的实施，并负责将提议的活动事项与GEO优先事项以及已有的资源结合起来。计划管理委员会向GEO执委会汇报，成员由GEO成员国及参加组织提名。计划管理委员会每年至少召开2次会议。

GEO工作计划是GEO为实现自身使命与愿景、通过促进成员国、相关参与组织、GEO伙伴以及其它参与方开展合作的主要工具。GEO工作计划是由研究人员、技术专家、政策分析员、商业部门代表和许多其他利益攸关方共同构想、规划和实施的项目，其目的是为满足地球观测至关重要的特定领域的信息需要。在大多数活动中，GEO团队致力于开发基于地球观测的应用程序、产品和服务，以满足用户的需求。GEO工作计划项目活动的资金主要来自GEO成员国和参与组织在自愿、尽最大努力的基础上提供的实物捐助，并在可能的情况下辅以财政捐助。仅有少数项目所需资金部分由GEO秘书处通过GEO成员国向GEO信托基金提供的资金来提供。GEO每三年制定一期工作计划，期间，GEO工作计划项目会进行年度更新。GEO三年期的工作计划和任何项目更新都必须由GEO全体会议在年度会议上批准。

GEO工作组的机制建立于GEO成立之时，并逐步规范化，以支撑GEOSS发展和GEO工作计划项目、为GEO新的提议制定计划或方案、筹备重要会议或活动等。目前，GEO共设有15个工作组，分为GEO下设工作组和PB下设工作组两大类。GEO下设工作组由执委会直接领导，部分由PB进行指导，PB下设工作组由PB直接领导，定期由PB代表向执委会汇报。