學、地礦和生物四個系；中學部分為預科和初中兩個部分。大學部的學制開始為2年，1941年改為3年。

在課程設定和教學方面，延安自然科學院採取較為務實而靈活的方式。大學一年級主要是學習普通物理、普通化學、高等數學、工程製圖、外國語、政治課等基礎課；二、三年級則按各系的實際情況學習技術基礎和專門課程。為了服務於抗戰事業，學院始終堅持理論聯絡實際。學院先後辦有機械實習工廠、化工實習工廠、玻璃廠等，作為院內實習的基地；還與附近的光華農場及邊區的主要工廠建立了密切聯絡，作為院外實習基地。比如：生物系學生曾在系主任樂天宇帶領下，三次進山進行植物考察；地質繫於1942年秋天組織了一個煤層地質勘探隊，對延安城東四十里鋪的煤礦藏量進行了勘探。

在當時，延安自然科學院作為邊區進行自然科學教學的最高學府，又是進行自然科學學術活動的中心，許多學科的學會都設在這裡。繼李富春之後，著名教育家徐特立擔任了該院院長。他上任後，積極提倡學術思想自由，大力開展學術問題討論，以推動自然科學、社會科學以及高等學校、科研機關工作的迅速發展。1941年10月，徐特立提出學校也可以按照工廠和農場等單位的需要來培養人才的思想。如生物系師生就曾到南泥灣進行考察，為三五九旅在此墾荒種地提出了科學依據。正是在徐特立的領導下，延安自然科學院培養了中國第一代無產階級科學技術幹部。

起初，延安自然科學院校址設在延安城南門外的杜甫川。1943年秋，根據中央的安排，延安自然科學院學院遷到橋兒溝，與魯迅藝術學院等校合併成立了延安大學，併成為該大學的一個獨立學院。1944年6月，學院又從橋兒溝遷到文化溝，由李強兼任院長。1945年8月，中共中央決定學院的一部分師生參加工作，另一部分工科方面的師生則攜帶重要教學資料，向華北和東北遷移。抗戰勝利後，延安自然科學院曾先後遷至張家口、建屏、井陘，並於1946年1月改名為晉察冀邊區工業專門學校，輾轉華北辦學。1946年4月，根據形勢發展的需要，北方大學工學院在晉冀魯邊區成立。1948年10月，晉察冀邊區工業專門學校與北方大學工學院合併，成立華北大學工學院，培養具備新的技能和本領、善於管理的工業幹部和技術人才。