düzenlemeleri NATO kontrolüne geçirildi. Sonuç olarak NATO'nun silahlı kuvvetleri arasında NATO Kaplan Birliği gibi gayriresmî bağlar ve Canadian Army Trophy gibi yarışmalar oluşmaya başladı.

1954'te Sovyetler Birliği, Avrupa barışını korumak için NATO'ya katılması gerektiğini öne sürdü. Sovyetler Birliği'nin ittifakı zayıflatmayı amaçladığından korkan NATO ülkeleri, bu öneriyi reddetti.

17 Aralık 1954'te Kuzey Atlantik Konseyi, NATO'nun nükleer düşüncesinin gelişimi ile ilgili olan MC 48 adlı belgeyi onayladı. MC 48, Sovyetler Birliği ile bir savaşın başlangıcından itibaren ilk olarak Sovyetler tarafından kullanılıp kullanılmadığına bakılmaksızın NATO'nun atom silahlarını kullanması gerekeceğini vurguladı. Böylece Avrupa müttefik kuvvetleri yüksek komutanına nükleer silahların otomatik kullanımı konusunda ABD'deki Strategic Air Command ile aynı yetkiler verilmiş oldu.

Batı Almanya'nın 9 Mayıs 1955'te örgüte dâhil edilmesi, dönemin Norveç Dışişleri Bakanı Halvard Lange tarafından "kıtamızın tarihinde kararlı bir dönüm noktası" sözleriyle tanımlandı. Almanya'nın ittifaka katılmasının önemli bir nedeni Alman iş gücü olmadan bir Sovyet işgaline karşı koymak için yeterince konvansiyonel kuvvet göndermenin imkansız olmasıydı. Bu hareketin ani sonuçlarından biri buna resmî bir yanıt olarak 14 Mayıs 1955'te Sovyetler Birliği, Macaristan, Çekoslovakya, Polonya, Bulgaristan, Romanya, Arnavutluk ve Doğu Almanya'nın imza koyduğu Varşova Paktı'nın kurulması oldu. Böylece Soğuk Savaş'ın iki tarafı da belirlenmişti.

1957 sonbaharında, NATO tarafından kuzeyde eş zamanlı üç büyük tatbikat gerçekleştirildi. Norveç'ten Türkiye'ye kadar olan bölgede 250.000 asker, 300 gemi ve 1.500 uçağın katıldığı Operation Counter Punch, Operation Strikeback ve Operation Deep Water tatbikatları ittifakın bugüne kadarki en iddialı girişimleriydi.

NATO'nun birliği ilk yıllarında, Charles de Gaulle'ün Fransa Cumhurbaşkanı olduğu dönemde ortaya çıkan bir kriz ile bozuldu. De Gaulle, ABD'nin örgütteki güçlü rolünü ve kendi algısıyla bu ülke ile Birleşik Krallık arasındaki özel ilişkiyi protesto etti. ABD Başkanı Dwight D. Eisenhower ile Birleşik Krallık Başbakan Harold Macmillan'a 17 Eylül 1958'de gönderdiği bir memorandumda, Fransa'yı ABD ve Birleşik Krallık ile eşit bir temele oturtacak üçlü bir yapı oluşturulmasını önerdi. Memorandumuna aldığı yanıtı yetersiz bulan de Gaulle, ülkesi için bağımsız bir savunma gücü kurmaya başladı. Batı Almanya'ya yapılacak bir Doğu Alman akını durumunda Fransa'ya daha büyük bir NATO-Varşova Paktı savaşının içine çekilmek yerine Doğu Bloku ile ayrı bir barış yapma seçeneği vermek istedi. Şubat 1959'da Fransa, Akdeniz'deki filosunu NATO komutasından aldı. De Gaulle daha sonra yabancılara ait nükleer silahların Fransa topraklarında konuşlandırılmasını yasakladı. Bunun sonucunda ABD, iki yüz askerî hava aracını Fransa dışına çıkarmak ve 1950'den beri kullandığı Fransa'daki hava üslerini 1967'de Fransızlara vermek zorunda kaldı.

Fransa'nın 1962'deki Küba füze krizi sırasında NATO'nun geri kalanı ile dayanışma göstermesine rağmen de Gaulle, Fransa'nın Atlas Okyanusu ve Manş Denizi'ndeki filolarını NATO komutasından alarak bağımsız savunma işini devam ettirdi. 1966'da Fransa'nın tüm silahlı kuvvetleri NATO'nun bütünleşik askerî komutasından çekildi ve Fransız olmayan tüm NATO askerlerinin Fransa'dan ayrılması istendi. ABD Dışişleri Bakanı Dean Rusk, daha sonraları yaptığı açıklamada de Gaulle'e, açıklamasının "Fransa'daki mezarlıklarda yatan ABD askerlerini" kapsayıp kapsamadığını sordu. Bu çekilme 16 Ekim 1967'de Avrupa Müttefik Kuvvetleri Yüksek Karargâhı'nın Paris yakınlarındaki Rocquencourt'dan Belçika'da Mons'un kuzeyinde yer alan Casteau'ya taşınmasına yol açtı. Fransa ittifakın bir üyesi olarak kalmaya devam etti ve Almanya Federal Cumhuriyeti'nde konuşlandırılmış kuvvetleri ile Soğuk Savaş boyunca olası Varşova Paktı saldırılarına karşı Avrupa savunmasına katkı sağladı. ABD ile Fransa arasında yapılan ve Lemnitzer-Ailleret Anlaşmaları olarak bilinen gizli anlaşmalar, Doğu-Batı çatışmalarının patlak vermesi hâlinde Fransız güçlerinin NATO'nun komuta yapısına nasıl geri alınacağını ayrıntılı olarak düzenlemekteydi.

Fransa, örgütün bütünleşik askerî komutasına yeniden tam katılım sağlayacağını 2009 Strazburg-Kehl zirvesinde duyurdu.

Soğuk Savaş'ın büyük bir kısmında NATO'nun Sovyetler Birliği ve Varşova Paktı'nı gözlemesi, doğrudan bir askerî eyleme yol açmadı. 1 Temmuz 1968'de Nükleer Silahların Yayılmasının Önlenmesi Antlaşması imzaya açıldı. Silahların kontrolü bir savaş kararı alınıncaya kadar ABD güçlerinde olduğu ve bu noktada antlaşmanın denetimi olmadığı için NATO, kendi nükleer paylaşım düzenlemelerinin antlaşmayı ihlal etmediğini öne sürdü. O zamanlarda çok az devlet NATO'nun nükleer paylaşım düzenlemelerinden haberdardı ve genel olarak bu düzenlemelere itiraz edilmiyordu. Mayıs 1978'de NATO ülkeleri, ittifakın iki tamamlayıcı hedefini güvenliği sağlamak ve yumuşama politikasını sürdürmek olarak resmen tanımladı. Bu hareket yeni bir silahlanma yarışına yol açmadan savunmaları Varşova Paktı'nın saldırı yeteneklerinin gerekli kıldığı seviyeye denk hâle getirmek anlamına geliyordu.
Varşova Paktı'nın Avrupa'daki nükleer kapasitesinin artması sonrasında, ABD'nin GLCM seyir füzeleri ile Pershing II nükleer silahlarının Avrupa'ya konuşlandırılması bakanlar tarafından 12 Aralık 1979'da onaylandı. Yeni savaş başlıkları Batı'nın nükleer silahsızlanma görüşmelerindeki konumunu da güçlendirecekti. Bu politikaya Çift Yön politikası adı verilmişti. Benzer şekilde NATO, 1983-84 yıllarında Varşova Paktı'nın SS-20 orta menzilli füzelerini Avrupa'ya konuşlandırmasına yanıt olarak modern Pershing II füzelerini bir savaş durumunda askerî hedefleri vurmakla görevlendirdi. Bu hareket Batı Avrupa genelinde barış hareketi protestolarına yol açtı ve pek çok kişinin konuşlandırmada ısrarcı olunmasının sürdürülebilir olup olmadığı konusunda şüpheye düşmesi konuşlandırmaya olan desteği azalttı.

O yıllarda örgüte üyelikler genel olarak durgundu. 1974'te Türkiye'nin Kıbrıs Harekâtı'nın bir sonucu olarak Yunanistan, kuvvetlerini NATO'nun askerî komuta yapısından çekse de 1980'de Türkiye'nin iş birliği ile geri döndü. Birleşik Krallık ile Arjantin arasındaki Falkland Savaşı, ittifakın savaşa dâhil olması ile sonuçlanmadı, çünkü Kuzey Atlantik Antlaşması'nın 6. maddesinde kolektif savunmanın üye ülkelerin Yengeç Dönencesi'nin kuzeyinde kalan topraklarına yapılan saldırılarda geçerli olduğu belirtilmektedir. 30 Mayıs 1982'de NATO, demokrasiyle yeni tanışan İspanya'nın bir referandum sonucu ittifaka katılmasıyla yeni bir üyeye sahip oldu. Soğuk Savaş'ın zirve yaptığı dönemde 16 üye ülke, dört kademe hâlinde organize olmuş 78 karargâha ulaşan bir komuta yapısı altında, ABD'nin 435.000 ileri konuşlandırılmış askeri dâhil yaklaşık 5.252.800 etkin güç bulunduruyordu.

1989 Devrimleri ve Varşova Paktı'nın 1991'de dağılması, NATO'nun "de facto" ana rakibini ortadan kaldırdı ve NATO'nun amacında, doğasında, görevlerinde ve Avrupa kıtasına odaklanışında stratejik bir yeniden değerlendirmeye neden oldu. Bu değişim, 1990'da Paris'te NATO ile Sovyetler Birliği arasında imzalanan, belirli askerî azaltmaları zorunlu kılan ve Aralık 1991'de Sovyetler Birliği'nin dağılması sonrasında da devam eden Avrupa'da Konvansiyonel Silahlı Kuvvetler Antlaşması ile başladı. O zaman için Avrupa ülkelerinin NATO'daki askerî harcamaları %34 düzeyindeydi; 2012'ye gelindiğinde bu %21'e düştü. NATO ayrıca yeni özerk olan Orta ve Doğu Avrupa ülkelerini kapsayacak aşamalı bir büyümeyi başlattı ve etkinliklerini daha önce ilgilenmediği politik ve insancıl durumlara genişletti.
NATO'nun Soğuk Savaş sonrası ilk genişlemesi, 3 Ekim 1990'da Alman yeniden birleşmesi sonucunda eski Doğu Almanya'nın Batı Almanya'ya ve ittifaka katılmasıyla gerçekleşti. Bu olay, aynı yıl içinde imzalanan İki Artı Dört Antlaşması'nda kabul edilmişti. Birleşmiş bir Almanya'nın NATO'da kalması konusunda Sovyet onayını güvenceye almak için yabancı askerler ile nükleer silahların doğuda konuşlandırılmayacağı kararlaştırıldı ve müzakerecilerin NATO'nun doğuya daha fazla genişlemesiyle ilgili herhangi bir söz verip vermedikleri konusunda farklı görüşler ortaya çıktı. Sovyetler Birliği'nin son yıllarında ABD'nin ülkedeki büyükelçisi Jack Matlock, Batı'nın genişlememek konusunda "açık bir taahhütte" bulunduğunu ve Sovyet müzakerecilerde Çekoslovakya, Macaristan veya Polonya gibi ülkelerin NATO üyeliğinin söz konusu olmadığı izlenimi uyandırıldığını gösteren belgelerin gizliliğini kaldırdığını söyledi. Dönemin Batı Almanya Dışişleri Bakanı Hans-Dietrich Genscher, Eduard Şevardnadze ile yaptığı bir görüşmede "Bizim için kesin olan bir şey var: NATO doğuya doğru genişlemeyecek." dedi. Eski Sovyetler Birliği Cumhurbaşkanı Mihail Gorbaçov, 1996'da kaleme aldığı anı kitabında "Almanya'nın birleşmesi müzakereleri sırasında NATO'nun operasyon bölgesini doğuya genişletmeyeceği konusunda güvenceler verdiler." diye yazdı ve bu görüşü 2008'deki bir röportajda yineledi. İki Artı Dört görüşmelerinde yer almış bir Dışişleri Bakanlığı çalışanı olan Robert Zoellick'e göre, bu bir yanlış algıydı ve genişlemeyle ilgili resmî bir söz verilmemişti.

Soğuk Savaş sonrası yeniden yapılanmanın bir parçası olarak NATO'nun askerî yapısı azaltıldı ve Avrupa Müttefik Komutanlığı Acil Müdahale Kolordusu gibi yeni kuvvetler oluşturulacak şekilde tekrar organize edildi. Sovyetler Birliği'nin çöküşünün Avrupa'daki askerî dengede meydana getirdiği değişiklikler, 1999'da İstanbul'da imzalanan Uyarlanmış Avrupa'da Konvansiyonel Silahlı Kuvvetler Antlaşması ile tanındı. Fransa Cumhurbaşkanı Nicolas Sarkozy'nin politikaları Fransa'nın askerî pozisyonunda, ülkenin 4 Nisan 2009'da tam üyeliğe dönüşü ile sonuçlanan büyük bir değişime yol açtı; NATO'nun bütünleşik askerî komutasına tekrar katılan Fransa, bağımsız nükleer caydırıcılığını sürdürdü.

1994 ve 1997 arasında, NATO ve komşularının bölgesel konularda iş birliği yapması için Barış