A Lei Complementar nº 214, 23 de junho de 2005, marcou a transformação da Gestão Ambiental do Estado de Mato Grosso com a criação da Secretaria de Estado do Meio Ambiente – SEMA e extinção da Fundação Estadual do Meio Ambiente – FEMA.
A nova estrutura da SEMA permitiu que temas como a Biodiversidade ganhassem maior destaque, ganhando status de Superintendência, subdividida em coordenadorias e gerências. A Lei Complementar nº 214, 23 de junho de 2005, criou inicialmente sete superintendências nas áreas de: Assuntos Jurídicos; Planejamento; Administração; Infraestrutura, Mineração, Indústria e Serviços, Biodiversidade, Recursos Hídricos e Ações Descentralizadas. Na sequência foram criadas a Superintendência de Defesa Civil (Lei Complementar nº 216, 16 de julho de 2005); Superintendência de Educação Ambiental e Superintendência de Gestão Florestal (Lei Complementar nº 220, 29 de setembro de 2005).
A criação dessas Superintendência fez com que a SEMA ampliasse suas competências para as áreas de: resíduos sólidos, avaliação de impacto ambiental, fauna e recursos pesqueiros, acidentes ambientais, gestão do fogo, recuperação de áreas degradadas, outorga de recursos hídricos, ecossistemas, parques urbanos, dentre outras. Também foram criadas estruturas desconcentradas da SEMA nos municípios de Porto Alegre do Norte, Juara, Canarana, Guarantã do Norte, Pontes e Lacerda e Aripuanã, passando de sete escritórios regionais para treze, tornando a atuação da SEMA mais abrangente no interior do estado.
No mesmo ano de 2005 foi criado o serviço de agentes ambientais voluntários, com150 agentes ambientais comissionados (Lei nº 8.367, de 13 de setembro de 2005), que tinham por objetivo auxiliar nos trabalhos de fiscalização, proteção das unidades de conservação, combate aos incêndios florestais e ações de defesa civil. Em 2006 criaram-se os cargos de gerente dos parques estaduais (Decreto nº 7.618, 22 de maio de 2006).
Com a grande expansão das competências da SEMA, que chegou a ter seu número de servidores duplicado, fosse por meio da criação de cargos comissionados e/ou de contrato de empresa terceirizada, em 2006 foi realizado um novo concurso público para suprir as demandas do órgão.
O Estado de Mato Grosso, em 2006, alterou sua estrutura organizacional e de funcionamento da administração sistêmica (Lei Complementar nº 264, 28 de dezembro de 2006), reunindo em núcleos os setores da área sistêmica, de controle interno e de apoio de diferentes órgãos do governo. Por esta razão foi criado inicialmente o Núcleo Agroambiental, que reunia a SEDER, INDEA, INTERMAT, EMPAER e SEMA, ocasionando a extinção das Superintendências de Administração, Planejamento e de Assuntos Jurídicos. Posteriormente, houve a dissociação do Núcleo Agroambiental em Núcleos Agropecuário e Ambiental (Lei Complementar nº 292, de 26 de dezembro de 2007).
No início de 2008, em conseqüência das discussões ocorridas em função da criação do Núcleo Ambiental e da necessidade de melhoria da estrutura organizacional da SEMA, foi elaborada uma proposta de alteração da estrutura do órgão, a qual foi discutida com o sindicato dos servidores da SEMA. Resultou dessa proposta a criação da Superintendência de Procedimentos Administrativos e de Autos de Infração e da Superintendência de Monitoramento de Indicadores Ambientais, além da Coordenadoria de Mudanças Climáticas (Decreto nº 1.203, de 05 de março de 2008). Em janeiro de 2010, a Lei Complementar nº 383, de 19.01.10, desvinculou a Superintendência de Defesa Civil da SEMA, vinculando-a à Casa Militar. Em 10.02.10, o Decreto n.º 2.367 promoveu novas alterações. Foi criada a Coordenadoria de Autorização de Queima Controlada e a Coordenadoria de Monitoramento e Recuperação de Áreas Degradadas, antes vinculada à Superintendência de Biodiversidade, passou a integrar a Coordenadoria de Reflorestamento, que se tornou Coordenadoria de Reflorestamento. Monitoramento e Recuperação de Áreas Degradadas.
