Diskussionerna kommer att inriktas på Syrien och Iran, särskilt den kärnkraftsaffär som Netanyahu bittert motsätter sig.
David Cameron sade att Storbritannien "fortsätter att stå fast" i sitt "försvar av Israels rätt att existera och försvara sig".
Pro-palestinska kampanjdeltagare har fördömt Netanyahus besök.
Det förekom ilskna konfrontationer utanför Downing Street på onsdag mellan demonstranter som krävde Netanyahus arrestering för vad de säger är krigsförbrytelser i Gaza och pro-israeliska aktivister.
Även om en petition som krävde att den israeliska premiärministern skulle arresteras säkrade tillräckligt med underskrifter för att kunna övervägas för en debatt i parlamentet, avvisades budet tidigare i veckan eftersom "besökande chefer för utländska regeringar... har immunitet mot rättsliga processer, och inte kan arresteras eller kvarhållas", sade den brittiska regeringen i ett uttalande.
När Netanyahu anlände till Downing Street, sade han: " Mellanöstern håller på att upplösas under de dubbla styrkorna av militant islam - militant Sunnis som leds av Isis [islamisk stat] och militanta shiiter som leds av Iran.
"Jag tror att vi kan samarbeta på praktiska sätt för att få tillbaka strömmen av militant islam både i Mellanöstern och i Afrika."
Den israeliska premiärministern sade också att han var "beredd att återuppta direkta förhandlingar med palestinierna utan några som helst villkor för att inleda förhandlingar... omedelbart".
Samtalen mellan Israel och palestinierna bröt samman i april 2014.
David Cameron lovordade "det nära förhållandet mellan Storbritannien och Israel" och "de växande ekonomiska och kommersiella banden" mellan länderna.
Han sade att han ville tala om de "enorma viktiga globala hoten" i synnerhet den så kallade islamiska staten.
Det krävs åtgärder för att förhindra att Mellanöstern "upplöses" under hot från militanta islamister, sade den israeliska statsministern Benjamin Netanyahu i början av samtalen i London med David Cameron.