Par l’arrêté ministériel du 26 juin 2012, Pierre Cunéo, diplômé de l’ENA, directeur de la ligne RER C depuis décembre 2010, après avoir été directeur de la stratégie ferroviaire et de la régulation et directeur de cabinet de Guillaume Pepy, président de la SNCF, est nommé directeur du cabinet de Delphine Batho. Emmanuel Kesler est nommé directeur adjoint du cabinet. Paquita Morellet-Steiner est nommée directrice adjointe du cabinet et enfin, Jean-Paul Albertini, diplômés de l’ENA, directeur adjoint du cabinet d’Yves Cochet au ministère de l’Écologie en 2001, conseiller maître à la Cour des comptes et Directeur Général de la SEMAEST est nommé conseiller spécial.
Maud Lelièvre est la conseillère en charge des relations avec les associations environnementales, de la biodiversité et de la protection des milieux naturels.
Pierre-Louis Colin est nommé conseiller chargé de la communication, Aurore Gillmann conseillère parlementaire et Guillaume Leforestier conseiller budgétaire et fiscal. Julien Mayer remplace Pierre-Louis Colin à partir de novembre 2011 comme conseiller chargé de la communication. Yasmina Ali Oulhadj est nommée chef de cabinet le 10 juillet 2012 et reste en fonctions jusqu’au 22 janvier 2013, puis elle est remplacée par David Roizen du 22 janvier 2013 à avril 2014.
Cinq conseillers techniques complètent cette équipe : Marie Renne pour l’eau, la chasse, la pêche, les risques naturels et l’agro-environnement, Diane Szynkier pour les risques technologiques et la sûreté nucléaire, les déchets, la santé environnementale et les filières vertes, Christophe Schramm pour les énergies renouvelables, les réseaux, l’efficacité énergétique et la réforme du code minier, Charles-Antoine Goffin pour la production et le mix énergétique, les tarifs et la lutte contre la précarité énergétique, enfin Valentin Przyluski pour la transition écologique de l’économie et l’adaptation au changement climatique.
La question de la transition énergétique s’impose durant le ministère de Delphine Batho comme un objectif en matière de gestion des ressources énergétiques et du développement durable.
Des enjeux de qualité du cadre de vie apparaissent également à intervalles réguliers parmi les préoccupations du ministère de l’Environnement à travers les projets de loi sur les ondes, ou les réactions à l’actualité lors d’épisodes de pollution.
Delphine Batho obtient le portefeuille de plein exercice de ministre de l'Écologie, du Développement durable et de l'Énergie le 21 juin 2012 dans le deuxième gouvernement Ayrault, composé après les élections législatives. Un ministre délégué lui est adjoint pour les transports.
Après des critiques de la part de Delphine Batho contre le budget prévu pour son ministère pour 2014, le président de la République met fin à ses fonctions le 2 juillet 2013.
Sous son ministère sont notamment préparés des textes de lois concernant l’énergie. L’une révise le code minier au sujet de l’exploitation d’hydrocarbures conventionnels et une autre donne à l’État, à l’instar d’EDF, le pouvoir de décider la fermeture de centrales nucléaires.