W 1999 kierowana przez niego BSP formalnie poparła integrację Bułgarii z NATO i Unią Europejską. Środowisko to deklarowało początkowo jednak, że należy liczyć się ze zdaniem Rosji odnośnie do członkostwa w NATO, a sam Georgi Pyrwanow nie wykluczał przeprowadzenia referendum w tej sprawie. Bułgaria dołączyła do Organizacji Traktatu Północnoatlantyckiego 29 marca 2004. Niektóre media przypomniały wówczas, że stosunek prezydent i socjalistów do tej organizacji nie zawsze był jednoznaczny. W czasie wojskowej operacji NATO w Jugosławii w 1999 lider BSP jako deputowany wraz ze swoim klubem poselskim głosował przeciwko udostępnieniu siłom NATO przestrzeni powietrznej Bułgarii. Serbska prasa opublikowała w tamtym okresie list otwarty, najprawdopodobniej wysłany przez władze BSP, w którym bułgarscy socjaliści opowiedzieli się za nieuczestniczeniem Bułgarii w tej interwencji, zaś kwestię członkostwa kraju w NATO określili mianem awanturniczej decyzji, która sprzyja trwałemu zagrożeniu dla bezpieczeństwa narodowego. Odnosząc się do tych faktów podczas debaty przedwyborczej w 2006, Georgi Pyrwanow oświadczył, że nie był przeciwko członkostwu w NATO, a jedynie sprzeciwiał się wojennej operacji w Jugosławii. Już jako prezydent w wygłoszonym wkrótce po akcesie przemówieniu określił go jako osiągnięcie przez kraj jednego z jego celów strategicznych oraz podkreślił zasługi dyplomacji, polityków, organizacji pozarządowych i wojskowych. Powiedział także, że członkostwo w NATO wiąże się ze wzrostem autorytetu państwa oraz pojawieniem się nowych możliwości rozwojowych, jednak nakłada też na Bułgarię zobowiązania wobec partnerów.