La CP, les organes subsidiaires et les Bureaux sont servis par un secrétariat, dont le mandat est présenté en termes généraux à l'Article 8 de la Convention. Les fonctions principales du secrétariat sont d'organiser et d'assurer les arrangements pratiques pour les sessions des organes de la Convention, d'aider les Parties dans l'application de leurs engagements, de fournir un soutien continu aux négociations et de coordonner ses propres activités avec celles d'autres organes internationaux pertinents, notamment le Fonds pour l'Environnement Mondial (FEM) et le Groupe Intergouvernemental d'Experts sur l'Evolution du Climat (GIEC). Les tâches spécifiques du secrétariat incluent la préparation de documents officiels  pour la CP et les organes subsidiaires, la coordination de l'examen approfondi  des Communications Nationales et la compilation des données d'inventaire  de gaz à effet de serre des Parties Annexe I. Le plus grand travail technique nécessaire depuis l'adoption du Protocole de Kyoto (par exemple sur les mécanismes, les méthodologies et le changement de l'utilisation des terres et la foresterie) mène à une expertise technique accrue au sein du secrétariat. Le secrétariat de la Convention servira également le Protocole.

Le secrétariat est institutionnellement relié à l'ONU et administré selon les règlements des Nations Unies. Il emploie actuellement quelques 100 personnes venant du monde entier. A sa tête se trouve le Secrétaire Exécutif, nommé par le Secrétaire-Général des Nations Unies en consultation avec la CP à travers son Bureau, et tient actuellement le rang d'Assistant du Secrétaire-Général. Le Secrétaire Exécutif est sous l'autorité du Secrétaire-Général à travers le Secrétaire-Général Adjoint dirigeant le Département de la Direction concernant les questions administratives et financières du secrétariat, et à travers le Secrétaire-Général Adjoint dirigeant le Département des Affaires Economiques et Sociales en ce qui concerne les autres questions pertinentes au travail du secrétariat. Le Secrétaire Exécutif actuel, Michael Zammit Cutajar (Malte), est à la tête du secrétariat depuis sa mise en place en 1991.

En tant qu'organe neutre composé de fonctionnaires internationaux, le secrétariat est responsable, à travers le Secrétaire Exécutif, devant la CP et les organes subsidiaires et exécute les tâches qui relèvent de son mandat sous la Convention et le Budget-programme. La CP et les organes subsidiaires requièrent souvent une tâche spécifique au secrétariat à l'intérieur de ce mandat, par exemple de préparer une pré-étude sur une question particulière. Le secrétariat est dirigé dans son travail par les Bureaux des organes de la Convention.

Depuis août 1996, le secrétariat est situé à Bonn, Allemagne. Il a déménagé de son emplacement précédent à Genève, Suisse, suivant une offre de l'Allemagne de l'accueillir, qui a été acceptée par la CP 1.

Tous les deux ans, le Secrétaire Exécutif propose un Budget-programme, présentant les tâches principales devant être exécutées par le secrétariat dans ces deux ans à venir et le financement nécessaire pour exécuter ce travail. Cette proposition de Budget-programme est discuté par le SBI, qui recommande alors un Budget-programme pour approbation par la CP. Pour l'actuel exercice biennal 2000-2001, le Budget-programme du secrétariat s'élève à environ 12 millions de dollars américains par année, et est financé par les contributions des Parties, leurs parts étant basées sur l'échelle d'évaluation de l'ONU. Le Gouvernement d'Allemagne (le pays hôte du secrétariat) fournit également une contribution annuelle supplémentaire pour couvrir certaines dépenses, s'élevant actuellement à 1.5 millions Deutschemarks (DM) (environ 810.000 dollars américains) de même qu'une contribution annuelle de 3.5 millions DM (approximativement 1.645 000 dollars américains) de soutien aux coûts des installations des conférences et des réunions et des exigences liées aux événements organisés à Bonn (le "Bonn Fund"). Les contributions volontaires supplémentaires financent également la participation des pays en développement (environ 1.8 millions de dollars américains par an) et les activités supplémentaires (tournant autour de 3 millions de dollars américains par an). La structure du secrétariat est soumise à révision et à modification de manière à s'assurer qu'elle répond aux besoins changeants du processus du changement climatique.

Le secrétariat est actuellement organisé en six programmes (voir l'organigramme du secrétariat), dirigé chacun par un "Coordinateur", dont les domaines principaux de responsabilité sont les suivants :

Direction et Gestion Exécutives (EDM en anglais) : l'EDM, bureau du Secrétaire Exécutif, assiste le Secrétaire Exécutif dans la direction générale du secrétariat, en développant des règles d'action et en assurant la cohérence du travail du secrétariat. Le Secrétaire Exécutif donne avis aux organes de la Convention et à leurs Bureaux, et promeut des partenariats avec les autres organisations. Le Secrétaire Exécutif est assisté d'un Adjoint, désigné parmi les Coordinateurs des autres programmes.

Science et Technologie (S&T) : La S&T traite des aspects méthodologiques, scientifiques et technologiques du processus de Convention, apportant son soutien au SBSTA. Ses tâches consistent à développer des méthodologies pour améliorer la précision des données, identifier les options à promouvoir pour le transfert de technologies saines pour le climat, élaborer les méthodologies et les outils pour l'évaluation de stratégies d'adaptation et maintenir un proche contact avec le GIEC. Un élément important du programme de travail actuel de S&T concerne les aspects techniques du Protocole, par exemple, la préparation de lignes directrices pour les Communications Nationales sous le Protocole et les thèmes relatifs aux "puits" de carbone.

Mise en Application (IMP) : L'IMP est en première ligne pour aider les pays à exécuter leurs engagements et est responsable du soutien au SBI. L'IMP compile et synthétise les Communications Nationales et l'inventaire des données, coordonne les Examens Approfondis des Communications Nationales des Parties Annexe I, facilite les activités de renforcement des capacités pour les pays en développement et assure la liaison avec le mécanisme financier de la Convention (géré par le FEM). L'IMP est aussi responsable de soutenir les négociations sur un système d'observance sous le Protocole, sur la vulnérabilité des pays en développement au changement climatique et aux mesures d'atténuation.

Planification, Coordination et Sujets Emergents (PCEI en anglais) : Ce programme fournit le soutien aux négociations sous le SBSTA et le SBI sur la conception des mécanismes du Protocole de Kyoto et est responsable de l'analyse de questions nouvelles et transversales. Il soutient aussi le Secrétaire Exécutif dans la planification stratégique, et dans le suivi de la cohérence de l'important travail préparatoire du secrétariat pour le COP/MOP 1 (par exemple sur la compliance et le rapport des engagements). Une autre tâche majeure pour le PCEI est de soutenir l'application des Activités Exécutées Conjointement (AIJ en anglais).

Les Affaires Intergouvernementales et de Conférences (ICA en anglais) : Une des tâches fondamentales du secrétariat est d'organiser les sessions  de la CP, des organes subsidiaires et des réunions informelles telles que les ateliers. L'ICA organise l'important ordre du jour des sessions de la CP, prend des dispositions pour les réunions de Bureau de la CP et soutient le Président de la CP. En plus, il trouve les lieux appropriés pour les sessions de la CP et des organes subsidiaires, coordonne la production et la dissémination de documents officiels et fait tous les arrangements logistiques pour l'interprétation dans les six langues de l'ONU, l'accréditation des délégués et les services qui y sont liés. De plus, l'ICA est responsable des relations avec les Parties, y compris la maintenance d'un système de Points Focaux Nationaux.

Information, Communication et Services Administratifs (IOAS en anglais) : L'IOAS dissémine l'information sur le changement climatique et le processus de la Convention, y compris les documents officiels, les données et les produits d'information publics. Un des objectifs principaux du travail d'IOAS est de parvenir à sensibiliser le public au changement climatique et de bâtir la capacité au sein du secrétariat et entre les Parties de travailler en réseau, d'échanger les informations et les technologies de communication. L'IOAS est actif dans l'établissement de liens avec les autres organes de l'ONU et intergouvernementaux engagés dans un travail lié au changement climatique (par exemple le Programme des Nations Unies pour l'Environnement (PNUE), le Programme des Nations Unies pour le Développement (PNUD), la Conférence des Nations Unies sur le Commerce et le Développement  (CNUCED), l'Organisation des Nations Unies pour le Développement Industriel (ONUDI), la Convention sur la Diversité Biologique  et la Convention pour Combattre la Désertification.  L'IOAS est aussi responsable de l'administration et de la direction financière du secrétariat, c'est-à-dire administrer les ressources financières et le personnel, travailler en liaison avec l'ONU et le Gouvernement hôte sur les questions administratives.