アメリカとの協力関係は、「宇宙開発に関する日本国とアメリカ合衆国との間の協力に関する交換公文」が締結された1969（昭和44）年から始まりました。
以降、NASA（米国航空宇宙局）を中心に、国際宇宙ステーションや日本人宇宙飛行士をスペーシャトル計画に参加させること、地球観測や科学衛星など、幅広い分野で国際協力をおこなっています。

カナダとは、1989年以降、カナダ宇宙庁と日本・カナダ宇宙パネルを定期的に開催して、地球観測分野、微小重力分野等の相互の協力について長期的視点に立った意見交換を行っています。また、国際宇宙ステーション運用のパートナーとしても共に協力しています。

ヨーロッパとの協力関係は、欧州宇宙機関（ESA）と締結された交換公文に基づく情報交換によって、1972（昭和47）年から始まりました。

1980年代に入ってからは、フランス国立宇宙研究センター（CNES）と地球観測衛星の打ち上げの際に相互支援を実施。スウェーデン宇宙公社（SSC）とは、スウェーデンのキルナに日本の追跡局を設置するなど、追跡管制での協力関係は深まっていきました。また、ロシア宇宙庁（RSA）とはロシアの宇宙ステーション「ミール」を利用して宇宙実験を実施しました。

その後、地球観測分野および国際宇宙ステーション・「きぼう」日本実験棟の運用における国際協力関係はますます盛んになり、ロシアやフランスをはじめ各国との協定が締結されています。

アジア太平洋地域の各国との協力関係は、インド、インドネシア、フィリピン、ベトナム、タイ、マレーシア、シンガポール、韓国等に加え、アラブ首長国連邦やトルコ等の中東地域、オーストラリア、ニュージーランド等の太平洋地域の各国と、協力協定を締結/締結に向けた議論を実施の上、宇宙利用分野、宇宙技術分野、宇宙科学及び宇宙探査分野、宇宙教育分野などの様々な分野において、協力を行っています。

1993年、日本が主体となってアジア・太平洋地域宇宙機関会議（Asia-Pacific Regional Space Agency Forum: APRSAF）を設立し、アジア・太平洋地域の30以上の国・地域が参加し、アジア・太平洋地域での国際協力に関して定期的な会合をおこなっています。2019年には第26回アジア太平洋地域宇宙機関会議（APRSAF-26）を名古屋で開催。次の25年間を見据えて今後10年間取り組む目標を掲げた「APRSAF名古屋ビジョン外部リンク」を採択しました。

科学衛星の分野では、国際協力のもとに研究を進めることが重要な意味を持っています。国際的な宇宙科学の協力は、1980年代のハレー彗星探査計画をきっかけに始められた宇宙科学関係機関連絡協議会（IACG）をはじめ、さまざまなレベルで行われています。

月・惑星探査分野においては、世界14カ国の宇宙機関による国際探査戦略（GES）の検討に積極的に参加し、共に「“GES：国際協働のための共通の認識”文書」（フレームワーク文書）を作成しました。現在、このフレームワーク文書で示された協働活動を実行するためのメカニズム（国際宇宙探査協働グループ：ISECG）に参画し、具体的な検討活動を進めています。

航空技術部門は、公的航空研究機関に加え、海外メーカーや大学との相互利益に基づいた連携協力や共同研究、更には国際機関への協力などを行っています。また世界の公的航空研究開発機関によって構成される国際組織「IFAR（国際航空研究フォーラム）」では、JAXAが副議長を務めるなどリーダーシップを発揮し、国際的な航空研究機関の発展に貢献していきます。