Как и на аналогичных объектах, связанных с атомным проектом, в гарнизоне осуществлялся строгий отбор кадров, были ограждены служебная и жилая зоны с введением особого пропускного режима. В первые годы действовали ограничения по переписке, проживанию членов семей как в гарнизоне, так и близлежащих поселках и Керчи.

Основные подразделения полигона включали штаб, летно-испытательную часть в составе трех авиационных полков и непосредственно связанную с ней инженерно-авиационную службу, научно-испытательную часть с ее лабораториями и испытательными отделами, службу тылового обеспечения.

В летно-испытательную часть входили три авиационных полка: 35-й бомбардировочный, 513-й истребительный и 647-й смешанный авиационный специального обеспечения.

В состав 35-го бомбардировочного авиационного полка (БАП) входило несколько типов самолетов. Вначале полк формировался на базе Ту-4, а затем в него поступили самолеты Ту-16, Ту-95, ЗМ, Ил-28, Бе-12, Су-7Б. Все машины, как правило, отличались от штатных дополнительным специальным и испытательным оборудованием. Они использовались в качестве самолетов-носителей и самолетов-лабораторий. Ту-4, Ту-16, Ил-28 и Су-7Б на различных этапах служили самолетами-носителями при воздушных ядерных испытаниях на Семипалатинском полигоне, а Ту-16, Ту-95 и ЗМ — при испытаниях на полигоне острова Новая Земля. Самолет Бе-12 отрабатывался и проходил испытания как носитель противолодочного ядерного оружия без привлечения к натурным ядерным испытаниям.

На вооружении 513-го истребительного авиационного полка (ИАП) были самолеты-истребители Ла-9, МиГ-15, а затем МиГ-17. Они использовались для сопровождения и охраны самолетов-носителей при полетах с испытываемыми образцами ядерного оружия. Задачи для истребителей были регламентированы очень строго. Самолеты-истребители снаряжались обычно полным боекомплектом стрелково-пушечного вооружения. Им предписывалось применять оружие вплоть до поражения для предотвращения умышленных уходов самолетов-носителей за пределы оговоренных заданием зон.

В 647-й смешанный авиационный полк специального обеспечения (САПСО) входили самолеты и вертолеты различных типов: По-2, Як-12, Ли-2, Ил-14, Ил-28, Як-25, Ан-8, Ан-12, Ан-24, Ми-6. Эти машины предназначались для выполнения следующих задач: отбора радиоактивных продуктов из облака ядерного взрыва; проведения воздушных фото- и киносъемок различных этапов ядерных испытаний; отработки и испытания самолетных (вертолетных) средств временного хранения, транспортирования и подготовки ядерных авиационных бомб и боевых частей ракет к боевому применению на базе Ан-8, Ан-12, Ан-24, Ми-6; выполнения полетов с задачами связи и транспортирования грузов.

Сложность работы инженерно-авиационной службы определялась тем, что одновременно приходилось обслуживать более десяти типов самолетов. При этом кроме самолетов истребительного авиаполка практически все остальные являлись уникальными и не соответствовали по своему оснащению штатным, находящимся на вооружении однотипным самолетам. В основном это были опытные самолеты, переоборудованные из штатных в самолеты-носители, самолеты-лаборатории, самолеты по отбору радиоактивных продуктов из облака ядерного взрыва и выполнению других нетипичных задач, которые диктовало обеспечение ядерных испытаний и внедрение нового для ВВС вида оружия.

Проводимые на полигоне работы требовали непрерывных доводок и изменений в конструкции самолетов. Все это должно было выполняться в согласовании с разработчиками авиационной техники, с которыми имелась четко налаженная оперативная связь, вплоть до пребывания на полигоне в период испытаний полномочных представителей от Министерства авиационной промышленности.

Структура научно-испытательной части с самого начала была представлена многочисленными тематическими подразделениями, лабораториями и отделами. Одно подразделение было ответственно за бомбардировочные установки самолетов-носителей, подвеску «изделий», транспортирование и бомбометание. В это направление также входили средства, связанные с доставкой «изделий» к самолетам-носителям и их подвеской. Другое занималось средствами прицельного бомбометания, третье — автоматикой «изделий», проверкой комплектующих узлов, сборкой боеприпасов, телеметрическими измерениями работы автоматики на траектории падения. Система подрыва, регистрация условий транспортировки, параметров поражающих факторов взрыва и их воздействие на самолет-носитель, внешнетраекторные измерение и определение баллистических характеристик, фото- и киносъемка, метеорологические измерения и прогнозирование метеоусловий — за каждое из этих направлений отвечало особое подразделение.

В 1952 году в структуре научно-измерительной части были организованы дополнительные отделы и частично преобразованы ранее созданные подразделения, основными из которых являлись: отдел испытаний ядерных авиационных бомб: отдел испытаний специальных авиационных боевых частей; отдел испытаний самолетов-носителей; отдел самолетных измерений; отдел испытаний средств эксплуатации, временного хранения и подготовки «изделий» к применению; отдел по средствам отбора радиоактивных продуктов из облака ядерного взрыва и дезактивации самолетов; лаборатория механических и климатических испытаний.

В 1961 году была осуществлена очередная реорганизация научно-измерительной части. Все ее подразделения были сведены в два управления: первое объединяло все подразделения, связанные непосредственно с испытанием ядерных боеприпасов, средств их эксплуатации, самолетов-носителей, а также средств отбора радиоактивных продуктов из облака ядерного взрыва; во втором управлении были сосредоточены подразделения по средствам внешнетраекторных и самолетных измерений, обработке результатов измерений, расчетно-вычислительные средства, а также лаборатории механических и климатических испытаний.