Das Direktorium leitet das NCT/UCC Dresden und sorgt für die Entwicklung und Umsetzung der strategischen und operativen Maßnahmen. Es setzt sich zusammen aus Klinikdirektoren der onkologischen Schwerpunktbereiche des Universitätsklinikums Carl Gustav Carus Dresden, aus Institutsdirektoren des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf und Professoren der Medizinischen Fakultät Carl Gustav Carus der TU Dresden. Das Deutsche Konsortium für Translationale Krebsforschung (DKTK) ist ebenfalls im Direktorium des NCT/UCC Dresden vertreten.
Vier Geschäftsführende Direktoren bilden das Geschäftsführende Direktorium.