Hauptsitz des HZI ist Braunschweig, wo das Zentrum im Jahr 1965 gegründet wurde.

Seit 2009 verfügt das HZI über eine Außenstelle in Saarbrücken, das Helmholtz-Institut für Pharmazeutische Forschung Saarland (HIPS), das sich der Untersuchung von Naturstoffen, deren chemischer Optimierung und der Untersuchung biologischer Barrieren widmet.

Am Standort Hamburg forschen HZI-Wissenschaftler auf dem Gelände des Deutschen Elektronen-Synchrotrons (DESY). Gemeinsam mit weiteren wissenschaftlichen Partnern haben HZI und DESY im Jahr 2011 das Zentrum für Strukturelle Systembiologie, kurz CSSB, gegründet.