Na área criminal, cabe ao MPF promover a ação penal pública quando a competência para o julgamento for da Justiça Federal, como nos casos de delitos que causem prejuízo aos bens, serviços ou interesses da União, de suas entidades autárquicas (INSS e Banco Central, entre outros), ou das empresas públicas (Caixa Econômica Federal e Correios, entre outros). São exemplos desses crimes: saque ilegal de FGTS e seguro-desemprego; emissão de moeda falsa; contrabando; sonegação de tributos federais; sonegação de contribuição previdenciária; trabalho escravo; formação de cartel; lavagem de dinheiro; remessa ilegal de dinheiro para o exterior; fraudes bancárias; tráfico internacional de drogas; pedofilia na internet; crimes praticados por agentes da Receita Federal, da Polícia Federal ou qualquer órgão federal. Há também os casos das autoridades com foro privilegiado, que só podem ser julgadas pelos tribunais federais ou pelos tribunais superiores, conforme o caso. Dessa forma, a competência para propor a ação é do MPF.

Depois de concluir que há indícios de crime no caso averigüado, o procurador instaura um Procedimento Investigatório Criminal para coletar provas e, se for o caso, pede investigações à Polícia Federal. Quando possui comprovação de crime, denuncia o envolvido ao Poder Judiciário, que decide sobre a abertura do processo penal.

A instauração e tramitação do Procedimento Investigatório Criminal no âmbito do Ministério Público Federal foram regulamentadas pela Resolução do Conselho Superior do MPF número 77, de 14 de setembro de 2004.

Também cabe ao Ministério Público Federal o controle externo da atividade policial. Nesse sentido, a prisão de qualquer pessoa deve ser comunicada ao MPF quando feita pela Polícia Federal ou quando se tratar de autoridade com foro privilegiado no Supremo Tribunal Federal ou no Superior Tribunal de Justiça.