İçin Ortaklık, Akdeniz Diyaloğu girişimi ve Avrupa-Atlantik Ortaklık Konseyi gibi daha geniş forumlar oluşturuldu. 1998'de NATO-Rusya Daimi Ortak Konseyi kuruldu. 8 Temmuz 1997'de eskiden komünist olan Çek Cumhuriyeti, Macaristan ve Polonya NATO'ya davet edildi; üç ülke de 1999'da örgüte katıldı. Genişleme, Orta ve Doğu Avrupa'dan yedi ülkenin daha katılmasıyla devam etti: Bulgaristan, Estonya, Letonya, Litvanya, Romanya, Slovakya ve Slovenya. Bu ülkeler ilk olarak 2002 Prag zirvesi sırasında katılım görüşmelerine davet edildi ve NATO'ya 29 Mart 2004'te, 2004 İstanbul zirvesinden kısa süre önce katıldı. Bu karar o zaman için ABD'de askeri, siyasi ve akademik liderler tarafından eleştirildi. Amerikalı diplomat ve önleme politikasının savunucularından George F. Kennan, bu kararın "Rus demokrasisinin gelişimi üzerinde ters etki yapmasının, Soğuk Savaş atmosferinin Doğu-Batı ilişkilerine yeniden yerleşmesinin, Rus dış politikasının kesinlikle kendilerinin hoşuna gitmeyecek yönlere itmesinin beklenebileceğini" ifade etti.

Eski NATO yapıları ortadan kaldırılırken yenileri kuruldu. NATO 1997'de komuta yapısındaki altmış beş merkezin yirmiye düşürülmesini kararlaştırdı. NATO Mukabele Kuvveti (NRF) 21 Kasım 2002'de, eski bir COMECON üyesi ülkede gerçekleştirilen ilk zirve olan 2002 Prag zirvesinde kuruldu. 19 Haziran 2003'te Allied Commander Atlantic'in ortadan kaldırılıp yerine Norfolk, Virginia, ABD'deki Müttefik Dönüşüm Komutanlığı'nın (ACT) kurulması ve Avrupa Müttefik Kuvvetleri'nin (SHAPE) dönüştürülerek Müttefik Harekât Komutanlığı'nın (ACO) oluşturulmasıyla NATO'nun askerî komutasındaki yeniden yapılandırma devam etti. NATO'daki dönüşümü ACT gerçekleştirirken mevcut operasyonlardan ACO sorumludur. İstenmeyen hava ihlallerine yanıt vermek için savaş uçağı sağlayarak Estonya, Letonya ve Litvanya'nın egemenliklerini destekleyen NATO'nun Baltık Hava Polisliği görevi Mart 2004'te başladı. 2014'te sayıları dörtten sekize yükselen çok uluslu savaş uçakları Litvanya'da bulunmaktadır. Ayrıca 2004 İstanbul zirvesinde NATO, Basra Körfezi'ne komşu dört ülkeyle birlikte İstanbul İş Birliği Girişimi'ni başlattı.
Riga, Letonya'da gerçekleştirilen 2006 Riga zirvesi enerji güvenliği konusunu öne çıkardı. Bu zirve eskiden Sovyetler Birliği'nin parçası olan bir ülkede yapılan ilk NATO zirvesi oldu. Bükreş, Romanya'daki Nisan 2008 zirvesinde NATO, Arnavutluk ve Hırvatistan'ın örgüte üyeliğinde uzlaştı ve bu ülkeler Nisan 2009'da NATO'ya katıldı. Ayrıca Gürcistan ve Ukrayna'ya gelecekte örgüte üye olabilecekleri söylendi. Gürcistan ve Ukrayna'nın NATO'ya üyeliği konusu ile NATO'nun bir füze savunma sistemi planlaması Rusya'nın sert eleştirilerine neden oldu. Bu sistemle ilgili çalışmalar 2002'de başladı; görüşmeler anti-balistik füzelerin Çek Cumhuriyeti ve Polonya'ya yerleştirilmesi üzerine odaklandı. NATO liderleri ise Vladimir Putin ve Dmitri Medvedev'in tehdit olarak eleştirdikleri sistemin Rusya'yı hedef almadığı konusunda güvence verdi.

2009'da ABD Başkanı Barack Obama, gemilerden oluşan Aegis Savaş Sistemi'nin kullanılmasını önerdi; ancak bu plan yine Türkiye, İspanya, Portekiz, Romanya ve Polonya'ya istasyon yapılmasını içermektedir. NATO ayrıca "taktiksel" B61 nükleer bombalarının hedef yeteneğini yükselterek ve bunları görünmez F-35 Lightning II uçaklarına yükleyerek Avrupa'daki nükleer caydırıcılığında şimdiki durumu sürdürecektir. NATO, 2014 Kırım krizinin ardından Estonya, Letonya, Litvayna, Polonya, Romanya ve Bulgaristan'da konuşlanacak 5.000 kişilik yeni bir "öncü" güç kurma kararı aldı.

2014 Galler zirvesinde NATO üyesi ülkelerin liderleri, ülkelerinin gayrisafi yurt içi hasılasının en az %2'sini savunmaya harcayacakları yönündeki sözlerini teyit ettiler. 2015'te yalnızca beş üye ülke bu hedefe ulaştı. NATO, 15 Haziran 2016'da siber savaş kavramını, kara, deniz ve hava savaşı gibi savaşın operasyonel bir alanı olarak resmen tanıdı. Böylece NATO üyelerini hedef alan herhangi bir siber saldırı, Kuzey Atlantik Antlaşması'nın 5. maddesinin uygulanmasına yol açabilecektir. 5 Haziran 2017'de Karadağ, Rusya'nın itirazlarına rağmen NATO'nun 29. ve en yeni üyesi oldu.

Soğuk Savaş sırasında NATO tarafından hiçbir askerî operasyon gerçekleştirilmedi. Soğuk Savaş sona erdikten sonra ilk operasyonlar 1990 ve 1991'de, Irak'ın Kuveyt'i işgali nedeniyle yapıldı. Havadan erken uyarı özellikli uçaklar Türkiye'nin güneydoğusuna gönderildi ve kısa süre sonra bölgeye birlikler sevk edildi.

Yugoslavya'nın dağılmasının bir sonucu olan Bosna Savaşı 1992'de başladı. Kötüleşen durum 9 Ekim 1992'de Bosna-Hersek'in iç kesimlerinde uçuşa yasak bölge ilan eden Birleşmiş Milletler Güvenlik Konseyinin 816 sayılı kararının alınmasına yol açtı. NATO bu kararı 12 Ağustos 1993'te Uçuş Yasağı Harekâtı ile uygulamaya başladı. Yugoslavya Federal Cumhuriyeti'ne karşı alınan silah ambargosu ve ekonomik yaptırım kararları, Haziran 1993'ten Ekim 1996'ya kadar Sharp Guard Harekâtı ile denizden de uygulandı. 28 Şubat 1994'te NATO, uçuşa yasak bölgeyi ihlal eden dört Bosnalı Sırp uçağını düşürerek savaş zamanındaki ilk eylemini gerçekleştirdi.

10-11 Nisan 1994'te Bosna Savaşı sırasında Birleşmiş Milletler Koruma Gücü, Gorajde güvenli bölgesinin korunması için hava saldırısı çağrısı yaptı ve NATO yönetimindeki iki ABD F-16 jeti Gorajde yakınlarındaki Bosnalı Sırp askerî komuta karakolunu bombaladı. Bu saldırı, 14 Nisan'da 150 Birleşmiş Milletler personelinin rehin alınmasına neden oldu. 16 Nisan'da bir Britanya Sea Harrier'ı Gorajde üzerindeyken Sırp güçleri tarafından düşürüldü. Srebrenitsa Katliamı'ndan sonra Sırp Cumhuriyeti Ordusu'na karşı Ağustos 1995'te Kararlı Güç adı verilen iki haftalık bir NATO bombardıman operasyonu başlatıldı.

O yıl yapılan NATO hava saldırıları, 14 Aralık 1995'te Dayton Anlaşması'nın imzalanmasıyla Yugoslav Savaşları'nın sonlanmasına yol açtı. Bu anlaşma çerçevesinde NATO, Operation Joint Endeavor kapsamında BM komutasındaki IFOR barış gücünü bölgeye gönderdi. Yaklaşık 60.000 NATO askerinden oluşan barış gücüne NATO üyesi olmayan ülkelerin askerleri de katıldı. Bir süre sonra bu, 32.000 asker ile başlatılan daha küçük SFOR kuvvetine dönüştürüldü. SFOR tarafından Aralık 1996'dan beri sürdürülen görev, Aralık 2004'te European Union Force Althea'ya geçti. Üyelerinin öncülüğünün ardından NATO, bu operasyonlar için NATO Madalyası adlı bir hizmet madalyası dağıtmaya başladı.

KKO ayrılıkçıları ve Kosova'daki Arnavut sivillere Slobodan Milošević'in Sırp güçleri tarafından yapılan baskıları durdurmak için, Birleşmiş Milletler Güvenlik Konseyi 23 Eylül 1998'de ateşkes talep eden 1199 sayılı kararı geçirdi. ABD Özel Temsilcisi Richard Holbrooke öncülüğünde yapılan müzakereler 23 Mart 1999'da koptu. Holbrooke konuyu NATO'ya devretti ve örgüt 24 Mart 1999'da, 78 gün sürecek olan bir bombardıman başlattı. Müttefik Güç Harekâtı o zamanki Yugoslavya Federal Cumhuriyeti'nin askerî gücünü hedef aldı. Kriz sırasında NATO, uluslararası tepki güçlerinden biri olan Avrupa Müttefik Komutanlığı Mobil Kuvveti'ni de Albania Force (AFOR) adıyla, Kosova'dan gelen mültecilere insani yardım yapması için Arnavutluk'a konuşlandırmıştı.

Operasyon aralarında Belgrad'daki Çin Büyükelçiliği'nin bombalanmasının da bulunduğu yüksek sivil kayıplardan dolayı eleştirilse de, Yugoslavya Devlet Başkanı Slobodan Milošević'in 3 Haziran 1999'da uluslararası bir barış planının şartlarını kabul etmesiyle Kosova Savaşı sona erdi. 11 Haziran'da ise Milošević, BMGK'nin 1244 sayılı kararını kabul etti ve NATO'nun KFOR barış gücü BM öncülüğünde kuruldu. Bir milyona yakın mülteci Kosova'yı terk etti. Şiddet caydırıcılığının yanında KFOR, insani görevleri korumakla da görevliydi. Ağustos-Eylül 2001'de ittifak ayrıca Makedonya'daki etnik Arnavut milisleri silahsızlandırmak için Zorunlu Hasat Harekâtı'nı başlattı. 1 Aralık 2013 itibarıyla 31 ülkeden 4.882 KFOR askeri, bölgede görev yapmaya devam etmektedir.

ABD, Birleşik Krallık ve pek çok diğer NATO üyesi, 1999'da Sırbistan'a karşı gerçekleştirilen eylem gibi NATO askerî müdahalelerinin BM Güvenlik Konseyinin onayına gereksinim duyduğu yönündeki çabalara karşı çıkarken Fransa ve diğerleri, ittifakın BM onayına ihtiyacı olduğunu iddia etti. ABD-Birleşik Krallık tarafı bunun ittifakın otoritesini sarsacağını, Çin ile Rusya'nın Güvenlik Konseyi'ndeki veto haklarını Yugoslavya'ya yapılan müdahaleyi engellemek için kullanabileceğini ve aynısını NATO müdahalesi gerektiren gelecekteki çatışmalarda da yapabileceğini, böylece kuruluşun tüm gücünün ve amacının etkisiz hâle geleceğini belirtti. Soğuk Savaş sonrası askerî ortamı tanıyan NATO, Nisan 1999'daki Washington zirvesinde çatışmaların önlenmesi ve kriz yönetimini vurgulayan İttifak Stratejik Konsepti'ni kabul etti.

2001'de ABD'de gerçekleştirilen 11 Eylül saldırıları, NATO tarihinde ilk kez Kuzey Atlantik Antlaşması'nın 5. maddesinin uygulanmasına neden oldu. Maddeye göre bir üyeye yapılan saldırı tüm üyelere yapılmış sayılmaktaydı. 4 Ekim 2001'de NATO, saldırıların 5. madde hükümlerine uygun olduğuna karar verdi. NATO'nun saldırılara karşı gerçekleştirdiği sekiz resmî eylemin arasında Eagle Assist Harekâtı ile teröristlerin veya kitle imha silahlarının dolaşımını engellemeyi ve genel olarak gemi trafiğinin güvenliğini arttırmayı hedefleyen, 4 Ekim 2001'de başlatılan Akdeniz'deki Etkin Çaba Harekâtı da bulunmaktaydı.

NATO, 16 Nisan 2003'te 42 ülkenin askerlerinden oluşan Uluslararası Güvenlik Destek Gücü'nün (ISAF) komutasını almayı kabul etti. Bu karar o zaman ISAF'te en çok askere sahip olan Almanya ve Hollanda'nın ricası üzerine ve on dokuz NATO elçisinin tamamı tarafından oybirliği ile alındı. Kontrolün 11 Ağustos'ta NATO'ya geçişiyle birlikte NATO, tarihinde ilk kez kuzey Atlantik bölgesi dışında bir görevin komutasını almış oldu. ISAF başlangıçta Kâbil ve çevresini Taliban, El-Kaide ve benzeri gruplardan korumak ve böylece Hamid Karzai'nin başını çektiği Afganistan Geçiş Yönetimi'nin kurulmasını sağlamakla görevliydi. Ekim 2003'te BM Güvenlik Konseyi, ISAF görevinin Afga