La convention du CERN a été signée en 1953 par les 12 États fondateurs du CERN, la Belgique, le Danemark, la France, la Grèce, l'Italie, la Norvège, les Pays-Bas, la République fédérale d'Allemagne, le Royaume-Uni, la Suède, la Suisse et la Yougoslavie. L'Organisation a ensuite accueilli l'Autriche (1959), l'Espagne (1961-1969, puis à nouveau en 1983), le Portugal (1985), la Finlande (1991), la Pologne (1991), la République tchécoslovaque (1992), la Hongrie (1992), la Bulgarie (1999), Israël (2014) et la Roumanie (2016). La République tchèque et la République slovaque sont devenues deux États membres en 1993, après leur indépendance. La Yougoslavie a quitté le CERN en 1961. Aujourd'hui, le CERN compte vingt-deux États membres.

En dehors, des États membres, de nombreux autres pays participent à ses activités, sous des formes diverses.

La Serbie, Chypre et la Slovénie sont États membres associés en phase préalable à l’adhésion. La Turquie, l'Ukraine, le Pakistan, la Lituanie et l'Inde sont États membres associés.

Les États membres ont des devoirs et des privilèges. Ils contribuent au budget et aux frais de fonctionnement des programmes du CERN ; ils sont représentés au Conseil, chargé des décisions importantes sur l'Organisation et ses activités.

Certains États (ou organisations internationales) qui, de façon permanente ou temporaire, ne peuvent pas devenir membres du CERN, ont le statut d’observateur. Ce statut permet aux États non‑membres d'assister aux réunions du Conseil et de recevoir les documents du Conseil, sans prendre part aux décisions de l'Organisation.

Des scientifiques de quelque 600 instituts et universités du monde entier utilisent les installations du CERN.

Les physiciens et leurs organismes de financement, qu’ils soient d'États membres ou non, sont responsables du financement, de la réalisation et de l'exploitation des expériences auxquelles ils collaborent. Le CERN investit une part importante de son budget dans la construction de nouveaux accélérateurs, tels que le Grand collisionneur de hadrons LHC, et il ne peut contribuer que partiellement au coût des expériences.

Les États et les organisations ayant le statut d’observateur sont la Commission européenne, le Japon, la Fédération de Russie, l'UNESCO et les États‑Unis d’Amérique.

Les États non-membres qui ont des accords de coopération avec le CERN sont l'Albanie, l'Afrique du Sud, l'Arabie Saoudite, l'Algérie, l'Argentine, l'Arménie, l'Australie, l'Azerbaïdjan, le Bangladesh, le Bélarus, la Bolivie, le Brésil, le Canada, le Chili, la Chine, la Colombie, la Corée, le Costa Rica, la Croatie, l'Equateur, l'Egypte, les Emirats Arabes Unis, l'Estonie, l'Ex-république yougoslave de Macédoinela, la Géorgie, l'Iran, l'Islande, la Jordanie, Malte, le Maroc, le Mexique, la Mongolie, le Monténégro, la Nouvelle Zélande, le Pérou et le Vietnam. 

Le CERN a également des contacts scientifiques avec: l’Autorité palestinienne, Cuba, le Ghana, l’Irlande, la Lettonie, le Liban, Madagascar, la Malaisie, le Mozambique, l’Ouzbékistan, les Philippines, le Qatar, le Rwanda, Singapour, le Sri Lanka, Taiwan, la Thaïlande et la Tunisie.