La cinémathèque de Toulouse est placée depuis 1964 sous le statut d’association loi de 1901 à but non lucratif. Elle est financée par l’État (Centre national de la cinématographie, CNC, et Direction régionale des Affaires culturelles, DRAC), la ville de Toulouse, le Conseil général de la Haute-Garonne et le Conseil régional de Midi-Pyrénées.

Elle dispose de deux salles de projection, d'une bibliothèque et d'une salle d'exposition dans le centre-ville, 69 rue du Taur.

En septembre 2004, le Centre de conservation et de recherche a été ouvert à Balma : il a pour mission de conserver et d'archiver les films (30 000 copies) et documents liés au cinéma (environ 50 000 affiches, près de 500 000 photos...). C'est à la Cinémathèque de Toulouse que sont conservées les négatifs originaux de La Grande Illusion de Jean Renoir qui furent perdus à Berlin durant la Seconde Guerre mondiale avant d'être retrouvés en URSS en 1958 et restitués en 1960.

Chaque année la cinémathèque organise un festival et des colloques dédiés aux films du passé et intitulé Zoom arrière.