Aðalframkvæmdastjóri er ábyrgur fyrir framkvæmd aðgerða sem samþykkt eru af stjórninni og aðalfundinum. Aðalframkvæmdastjóri er valinn af stjórninni og samþykktur af aðalfundinum í endurnýjanlegt fjögurra ára kjörtímabil. Aðalframkvæmdastjóri hefur umsjón með sex deildum sem vinna raunverulega vinnu við framkvæmd stefnu IAEA: Kjarnorka, kjarnaöryggi og öryggi, kjarnavísindi og notkun, öryggismál, tæknilegt samstarf og stjórnun.
Framkvæmdastjóri