Fylkestinget leder fylkeskommunen. Fylkestinget har vært organisert på ulike måter etter 1945. Fra oktober 2003 har fylkestinget i Nord-Trøndelag hatt en parlamentarismemodell med en slags storting/regjeringslogikk, med fylkesting, fylkesråd, fylkesordfører, fylkesråder og fylkesrådsleder.
 
Fylkestinget og fylkesrådet
Fylkestinget velges ved direkte valg. Fylkesrådet tilsvarer en fylkesregjering utgått av et flertall i fylkestinget.  Fylkesrådet er fylkeskommunens viktigste utøvende politiske organ. Fylkesrådet har en ledende rolle i det politiske/administrative arbeid utenfor de formelle vedtaksmøter i fylkestinget. I møtet med samfunn og med andre partnere er det fylkesrådslederen/fylkesrådet som representerer fylkeskommunens utad - en oppgave som fylkesordføreren tidligere hadde. Fylkesrådet leder den samlede administrasjon, sørger for at de saker som legges frem for politiske organer (fylkestinget/komiteene og evt. andre utvalg) er forsvarlig utredet og sørger for at de politiske vedtak settes i verk.
 
Fylkesordføreren
Fylkesordfører styrer fylkestinget og tilsvarer Stortingspresidenten. Fylkesordfører leder fylkestingets politiske arbeid og har representative oppgaver. Fylkesordførers politiske rolle og betydning påvirkes av at Nord-Trøndelag har valgt parlamentarisk styreform. Fylkesordfører har en mer tilbaketrukket rolle i de politiske sakene enn fylkesrådets og særlig fylkesrådslederens rolle. Fylkesordfører har representative oppgaver utad i mer formelle sammenhenger, der for eksempel fylkeskommunen er vertskap. Det er en klar grenseoppgang og tydelig rolleavklaring mellom fylkesordførers og fylkesrådets representative oppgaver, der fylkesrådet representerer fylkeskommunen utad i politiske saker, mens fylkesordfører representerer fylkeskommunen utad i mer formelle sammenhenger.
 
Administrasjonens leder benevnes administrasjonssjef (tidligere fylkesrådmann)
 
Tidligere organiseringer
Fra 1945 til 1963 besto fylkestinget av ordførerne i fylkets kommuner, med en valgt fylkestingsformann. I tillegg var det et fylkesutvalget med fem medlemmer med fylkesmannen som leder. 

I 1964 (til 1975) skulle kommune velge representanter til fylkestinget. Bykommunene kom inn i fylkestinget. Fylkesordfører ble opprettet og valgt av fylkestinget. Fylkesutvalget ble sammensatt etter antallet medlemmer i fylkestinget. I Nord-Trøndelag besto fylkesutvalget av ni representanter.

I 1976 (til 2003) ble det innført direkte valg til fylkestinget. I tillegg ble det opprettet en egne fylkeskommunal administrasjonsordning ledet av en fylkesrådmann.
 
Ledere av fylkestinget/fylkesordfører

• Alf Karlsen (fylkestingsformann) - 1946 til 1955
• Peder J. Arnstad (fylkestingsformann)  - 1956 til 1961
• Johan A. Vikan (fylkestingsformann) - 1962
• Johan A. Vikan (fylkesordfører)  - 1963 til 1966
• Olav Benum (fylkesordfører)  - 1966 til 1967
• Knut Aas (fylkesordfører)  - 1968 til 1975
• Arne Sandnes (fylkesordfører)  - 1975 til 1991
• Kolbjørn Almlid (fylkesordfører)  - 1991 til 1995:
• Bjarne Håkon Hanssen (fylkesordfører) - 1995 til 1997
• Merete Storødegård (fylkesordfører) - 1997 til 2003
• Erik Bartnes (fylkesordfører) -  2003 til 2007
• Gunnar Viken (fylkesordfører)- fra 2007 til 2015

• Pål Sæther Eiden (fylkesordfører) - fra 2015 til 2017

Fylkesrådet (fylkesråder)

• 2003-2007: Alf Daniel Moen (AP), Einar Strøm (SP) Susanne Bratli (AP) og Trude Marian Nøst (SP). (Anne Irene Myhr (SP) avløste Trude M. Nøst fra 8. desember 2006.)
• 2007-2011: Alf Daniel Moen (leder) (Ap), Susanne Bratli (2007-2009)/Ingvild Kjerkol (2009-2011), regional utvikling (Ap), Anne Marit Mevassvik, utdanning (Ap), Tor Erik Jensen, samferdsel (H), Annikken Kjær Haraldsen, kultur (v) og Johannes Sandstad, miljø (KrF).
• (2011-2015): Ingvild Kjerkol, leder (Ap) [2011-2013]/Anne Marit Mevassvik (Ap) [2013-2015]; Anne Marit Mevassvik, utdanning, (Ap) [2011-2013]/May Britt Lagesen (Ap)/ [2013-2015]; Tor Erik Jensen, samferdsel, (H) og Terje Sørvik, regional utvikling (Ap). (Anne Marit Mevassvik avløste Ingvild Kjerkol fra 13.6.2013.)
• (2015-2017): Anne Marit Mevassvik (leder) AP, Terje Søvik (regional utvikling) AP, May Britt Lagesen (utdanning og kultur) Ap og Tomas Iver Hallem (samferdsel og miljø) SP. [Nord-Trøndelag ble slått sammen med Sør-Trøndelag til Trøndelag fylke fra 1.1.2018]

Fylkesrådsleder

• 2003-2007: Alf Daniel Moen (Ap).
• 2007-2011: Alf Daniel Moen (Ap).
• 2011-2013 Ingvild Kjerkol (Ap).
• 2013-2017: Inger Marit Mevassvik (Ap) [Nord-Trøndelag ble slått sammen med Sør-Trøndelag til Trøndelag fylke fra 1.1.2018]

Fylkesadministrative ledere

• Dagfinn Sakshaug (fylkesrådmann) - 1976 til 1994
• Audun Østerås (fylkesrådmann) - 1994 til 2003
• Audun Østerås (administrasjonssjef)  - 2003 til 31. august 2008
• Inge Fornes (administrasjonssjef) - fra 1. september 2008 til 31. desember 2017.