2006年以来，学校发起成立及加入了“亚洲仿真联盟”“欧洲顶尖工业管理者高校联盟(T.I.M.E.)”“一带一路航天创新联盟”“国际宇航联合会”等18个国际大学联盟及学术组织。

2024年12月，亚洲仿真联盟（Asia Simulation Federation, ASIASIM简称“亚仿联”）成立仪式暨首届仿真前沿技术研讨会在北航杭州国际校园举办。亚洲仿真联盟是国内首批依托高校建设的国际科技组织，也是北航发起成立的第一个国际组织。

欧洲顶尖工业管理者高校联盟（Top International Managers in Engineering,简称T.I.M.E.联盟）是巴黎中央理工大学1989年发起的、由欧洲一流工科院校组成的大学联盟，其宗旨是通过搭建交流交换平台，促进成员高校在工程人才培养，特别是双学位领域的合作，培养有跨文化理解力、卓越专业能力的国际化工程人才。北航是该联盟在国内唯二的会员单位。

2018年，物理学院吕广宏教授获批国家自然科学基金重点国际(地区)合作研究项目，开启北航与荷兰基础能源研究所DIFFER合作，共同开展面向商用聚变能应用的等离子体辐照效应研究工作。双方合作充分发挥各自优势，实现了实验装置、研究方法的优势互补。项目研究成果揭示了聚变边界等离子体辐照效应，为聚变堆工程设计中壁材料的制备与应用提供理论指导。该项目于2022年12月结题并获评优秀。

2020年，北京航空航天大学分别与美国德克萨斯大学奥斯汀分校、美国密苏里大学联合签署并启动“空间非合作机动目标智能自主相对导航与控制研究”项目。三方强强联合，充分发挥各自优势，积极推动空间非合作目标导航、制导与控制(GNC)技术的发展及相关产品的产业化进程，以满足空间在轨服务与维护领域的迫切应用需求。

2020年，北京航空航天大学牵头的国家自然科学基金重点国际(地区)合作研究项目“全息真3D显示关键技术”获批立项，携手首尔国立大学和四川大学，致力于解决全息显示中的关键问题，攻克前沿核心技术，推动3D显示技术的发展与应用。

2020年，北京航空航天大学正式开始与沙特国王科技大学开展科研合作，共同承担了国家自然科学基金国际合作重点项目，旨在新型功能材料等交叉学科研究，目前主要致力于新型稀土软磁复合材料关键技术和产业化突破，以及青年教师互派和研究生联合培养等。

2021年，北航、新加坡国立大学、澳大利亚新南威尔士大学启动“数字孪生车间构建及生产运行优化理论”国家自然科学基金重点项目，三方强强联合，积极推动数字孪生与智能制造技术的发展与行业应用，以满足我国制造企业数字化转型和智能化升级的迫切需求；自主创办《Digital Twin》和《Digital Engineering》国际期刊，发起数字孪生国际会议，成立北航数字孪生国际研究中心，引领数字孪生研究与发展。

2023年，北京航空航天大学与南非文达大学、比勒陀利亚大学签署“中非北斗卫星导航系统及遥感应用联合实验室”共建协议，联合开展北斗高精度定位导航授时技术研究及其在智慧农业和交通领域的应用示范，并在人才交流、技术合作、数据和成果共享、系统研发和联合交叉验证等方面全面合作，推动我国北斗系统在非洲的应用落地。

2023年，北京航空航天大学与斯里兰卡科伦坡国际集装箱码头有限公司、科伦坡大学联合承担科技部国际战略性合作项目“基于北斗/GNSS的智慧物流技术联合开发与应用示范”，旨在研制适用于东南亚国家的北斗车载智能终端，建立基于北斗/GNSS终端的智慧物流管理平台，实现城市级高效物流应用示范。

2024年，北京航空航天大学联合新加坡国立大学、致真存储（北京）科技有限公司、北京智芯微电子科技有限公司，共同致力于低功耗、高集成体自旋轨道矩磁随机存储器合作研究，通过“国际联合+产学研融合”模式结合各方优势，突破功耗和集成度相互制约瓶颈，推进新型磁随机存储器的发展。