美洲国家组织拥有十分复杂而庞大的组织机构。《美洲国家组织宪章》规定：“美洲国家组织运用下列机构来实现其宗旨：（1）全体大会，（2）美洲国家外交部长协商会议（以下简称“外长协商会议”），（3）理事会，（4）美洲司法委员会，（5）美洲人权委员会，（6）秘书处，（7）专门会议，（8）专门组织。”其中，全体大会、外长协商会议和理事会是美洲国家组织的中央决策机构。

全体大会是美洲国家组织的最高权力机构，其前身为美洲国际会议。它决定美洲国家组织的总体活动和政策，确定各机构的组织结构和职能，考虑有关美洲国家间的友好关系问题，协调与其他国际组织的合作。全体大会由各成员国参加，每年举行一次；经2/3成员国同意，可召开特别大会。在会议上，每个国家有一票表决权。截止到2009年，共举行39届全体大会。

外长协商会议是美洲国家组织重要的磋商机制。根据《美洲国家间互助条约》规定，在“考虑紧急性问题及有关美洲国家共同利益的问题”时，应举行外交部长会议，作为协商机构。任何成员国均可申请召开外长协商会议，经常设理事会内绝对多数票赞成通过后即可召开，就共同关心的问题进行紧急磋商。如果涉及军事合作问题，则应同时召开成员国最高军事当局代表参加的防务咨询委员会会议。外长协商会议是在1938年召开的第8届美洲国际会议上成立的。从1970年美洲国家组织新宪章生效至2008年，共举行过25次外长协商会议。

理事会直接隶属于全体大会，由常设理事会和泛美全面发展理事会组成。每个成员国都有权向各个理事会派驻代表。常设理事会是美洲国家组织的执行机构，由各成员国派一名大使级代表组成。正、副主席由各国代表轮流担任，任期3个月。常设理事会的职能是维护成员国之间的友好关系，推动争端的和平解决，执行全体大会和外长协商会议的决议，筹备全体大会，起草美洲国家组织与联合国等国际组织之间的合作协议，等等。同时，常设理事会还可作为临时性的磋商机构。常设理事会根据章程规定举行定期会议和特别会议，表决程序采取简单多数方式。常设委员会下设总理事会、司法和政治事务理事会、行政和预算事务理事会、西半球安全理事会、美洲国家首脑会议管理和市民社会参与美洲国家组织活动理事会。泛美全面发展理事会（CIDI）成立于1996年，取代了原有的泛美经社理事会和泛美教科文理事会，主要致力于促进经济发展和消除贫困，由各成员国委派一名部长作为代表，每年召开一次会议。2000年，泛美全面发展理事会成立了下属的泛美合作和发展机构，它力图以新的、更有效的方式来战胜贫困，并促进社会和经济的发展。

美洲司法委员会是美洲国家组织在司法事务方面的咨询机构，具有较强的自主性。由成员国的11名法学家组成，每4年换届一次。所在地为巴西的里约热内卢。

美洲人权委员会成立于1960年，拥有《美洲国家组织宪章》所规定的广泛权力，并被《美洲人权公约》各条款赋予各种责任。它主要致力于推动人权的监督和保卫，是美洲国家组织在这方面的咨询机构。由7名成员组成，每4年换届一次。

秘书处是美洲国家组织的常设机构，受全体大会领导和常设理事会监督，其前身为泛美联盟。正、副秘书长均由全体大会选举产生，任期5年，只能连任一次。秘书处领导美洲国家组织的实际工作，负责具体实施开展的项目，任务繁杂。秘书处内设有8个办事处，负责不同领域的事务，包括：秘书长办公室、副秘书长办公室、政治事务秘书处、全面发展执行秘书处（负责教育、科学、文化、旅游、贸易、就业、可持续发展、人力资源开发等事务）、多边安全秘书处、行政和财务秘书处、司法事务秘书处、对外关系秘书处。秘书处位于美国首都华盛顿，工作语言为英语、西班牙语、葡萄牙语和法语。

专门会议是应理事会或专门组织要求，为处理技术性事务或推动国家间合作而召开的政府间会议。

美洲国家组织下设的专门组织，是根据多边协定建立、具有某个特定职能的政府间组织，拥有较大的自主权和独立性。它们包括：泛美妇女委员会、泛美印第安人学会、泛美农业合作学会、泛美儿童和青少年学会、泛美史地学会、泛美卫生组织。

美洲国家组织其他下属机构还有：美洲司法研究中心、泛美通信委员会、泛美滥用毒品控制委员会、泛美反恐委员会、泛美港口委员会、泛美减灾委员会、泛美发展基金会、泛美防务委员会、泛美体系合作计划协调委员会、美洲国家组织养老金委员会、美洲人权法院、行政法院、外部审计委员会，等等。

美洲国家组织在日内瓦设有驻欧洲办事处，在各成员国设有办事机构。美洲国家组织总部内设有哥伦布纪念图书馆和美洲艺术博物馆。