La direction des régions (DiRe) pilote l’action régionale de Santé publique France. L’agence conduit son action dans les territoires  au travers de ses Cellules régionales placées auprès des Agences régionales de santé (ARS) ; elles leur apportent leurs compétences, expériences et savoir-faire dans les champs de la veille, de la surveillance et de l’alerte sanitaire, l’observation de la santé et l’évaluation de programme pour l’aide à la décision des politiques de santé régionales.
Au nombre de 12 en métropole et 4 en outre-mer (Antilles, Guyane et Île de la Réunion et Mayotte), les 16 Cellules sont le représentant unique en région de Santé publique France. A ce titre, elles représentent l’ensemble des missions de l'établissement.

Le pilotage de l’action régionale confère à la DiRe une forte composante transversale qui s’exprime au travers du processus de programmation de l’agence. La DiRe pilote deux programmes : « programme régional intégré de santé publique » et « populations outre-mer » répondant à une spécificité régionale. L’action régionale sur l’ensemble des domaines d’intervention de Santé publique France (maladies infectieuses, pathologies liées à l’environnement, santé travail, maladies chroniques et accidents de la vie courante, prévention/promotion de la santé) se traduit par une contribution de la DiRe à la plupart des autres programmes de l’établissement.

Pour la réalisation de ses missions, la DiRe s’appuie sur un réseau de partenaires multidisciplinaires, des professionnels de santé (médecins déclarants, réseaux d’urgentistes, Observatoires régionaux des urgences, réseaux de réanimateurs, réseaux de médecins libéraux SOS Médecins, Centres hospitaliers, laboratoires…), des professionnels de santé publique (ORS, CépiDc…), des partenaires institutionnels (ARS, Dreal, Direccte, Insee…), des experts des différents domaines d’intervention et sociétés savantes (…), des équipes de recherche et des universités, etc.

La direction des régions est composée d’une direction, d’un pôle support, et de 16 unités régionales constituées par les cellules régionales, rassemblant au total environ 141 personnes.