2006年以來，學校發起成立及加入了“亞洲仿真聯盟”“歐洲頂尖工業管理者高校聯盟(T.I.M.E.)”“一帶一路航天創新聯盟”“國際宇航聯合會”等18個國際大學聯盟及學術組織。

2024年12月，亞洲仿真聯盟（Asia Simulation Federation, ASIASIM簡稱“亞仿聯”）成立儀式暨首屆仿真前沿技術研討會在北航杭州國際校園舉辦。亞洲仿真聯盟是國內首批依托高校建設的國際科技組織，也是北航發起成立的第一個國際組織。

歐洲頂尖工業管理者高校聯盟（Top International Managers in Engineering,簡稱T.I.M.E.聯盟）是巴黎中央理工大學1989年發起的、由歐洲一流工科院校組成的大學聯盟，其宗旨是通過搭建交流交換平臺，促進成員高校在工程人才培養，特別是雙學位領域的合作，培養有跨文化理解力、卓越專業能力的國際化工程人才。北航是該聯盟在國內唯二的會員單位。

2018年，物理學院呂廣宏教授獲批國家自然科學基金重點國際(地區)合作研究項目，開啟北航與荷蘭基礎能源研究所DIFFER合作，共同開展面向商用聚變能應用的等離子體輻照效應研究工作。雙方合作充分發揮各自優勢，實現了實驗裝置、研究方法的優勢互補。項目研究成果揭示了聚變邊界等離子體輻照效應，為聚變堆工程設計中壁材料的制備與應用提供理論指導。該項目于2022年12月結題并獲評優秀。

2020年，北京航空航天大學分別與美國德克薩斯大學奧斯汀分校、美國密蘇里大學聯合簽署并啟動“空間非合作機動目標智能自主相對導航與控制研究”項目。三方強強聯合，充分發揮各自優勢，積極推動空間非合作目標導航、制導與控制(GNC)技術的發展及相關產品的產業化進程，以滿足空間在軌服務與維護領域的迫切應用需求。

2020年，北京航空航天大學牽頭的國家自然科學基金重點國際(地區)合作研究項目“全息真3D顯示關鍵技術”獲批立項，攜手首爾國立大學和四川大學，致力于解決全息顯示中的關鍵問題，攻克前沿核心技術，推動3D顯示技術的發展與應用。

2020年，北京航空航天大學正式開始與沙特國王科技大學開展科研合作，共同承擔了國家自然科學基金國際合作重點項目，旨在新型功能材料等交叉學科研究，目前主要致力于新型稀土軟磁復合材料關鍵技術和產業化突破，以及青年教師互派和研究生聯合培養等。

2021年，北航、新加坡國立大學、澳大利亞新南威爾士大學啟動“數字孿生車間構建及生產運行優化理論”國家自然科學基金重點項目，三方強強聯合，積極推動數字孿生與智能制造技術的發展與行業應用，以滿足我國制造企業數字化轉型和智能化升級的迫切需求；自主創辦《Digital Twin》和《Digital Engineering》國際期刊，發起數字孿生國際會議，成立北航數字孿生國際研究中心，引領數字孿生研究與發展。

2023年，北京航空航天大學與南非文達大學、比勒陀利亞大學簽署“中非北斗衛星導航系統及遙感應用聯合實驗室”共建協議，聯合開展北斗高精度定位導航授時技術研究及其在智慧農業和交通領域的應用示范，并在人才交流、技術合作、數據和成果共享、系統研發和聯合交叉驗證等方面全面合作，推動我國北斗系統在非洲的應用落地。

2023年，北京航空航天大學與斯里蘭卡科倫坡國際集裝箱碼頭有限公司、科倫坡大學聯合承擔科技部國際戰略性合作項目“基于北斗/GNSS的智慧物流技術聯合開發與應用示范”，旨在研制適用于東南亞國家的北斗車載智能終端，建立基于北斗/GNSS終端的智慧物流管理平臺，實現城市級高效物流應用示范。

2024年，北京航空航天大學聯合新加坡國立大學、致真存儲（北京）科技有限公司、北京智芯微電子科技有限公司，共同致力于低功耗、高集成體自旋軌道矩磁隨機存儲器合作研究，通過“國際聯合+產學研融合”模式結合各方優勢，突破功耗和集成度相互制約瓶頸，推進新型磁隨機存儲器的發展。