核研院广泛地开展国际交往。长期以来，在核能、新能源、能源系统分析、资源管理与可持续发展等领域参与国际原子能机构、欧洲联盟、联合国开发计划署、世界银行、亚洲开发银行、亚太开发中心、联合国教科文组织、联合国粮农组织等十多个国际组织的活动，与近四十个国家的高等学校和科研机构开展了不同形式的科技交流与合作。

与美国麻省理工学院、斯坦福大学、德国柏林工业大学、亚琛大学、英国牛津大学、剑桥大学、曼切斯特大学等著名高等学府，美国橡树岭国立实验室、德国于利希研究中心、卡尔斯鲁厄研究中心、法国原子能委员会、日本原子能研究所、韩国原子能研究所、瑞士联邦保罗谢尔研究所、俄罗斯库尔恰托夫研究所等著名的研究机构，德国西门子公司、美国通用电气 公司、欧洲空客公司等著名企业保持密切的联系。

1997年，经中国国家科委和美国能源部达成协议，在核研院成立了中美能源环境技术中心。1999年，成立了清华大学能源环境经济研究院，在中日两国政府的指导和支持下，与日本庆应大学开展合作。2004年，根据中韩两国核能科技合作框架协议，成立了中韩核能制氢联合研究中心。2011年，中美生物燃料联合研究中心挂牌。2017年，中印尼高温气冷堆联合实验室揭牌。

清华大学核研院作为组成世界核大学的核心教育机构合作伙伴之一，自 2003 年世界核大学成立以来，一直遵循其承诺，积极参与世界核大学在世界范围内的活动。从 2007年开始连续举办世界核大学北京周活动。