Румыния присоединилась к НАТО в ходе так называемого «пятого расширения» этого блока в марте 2004 года на саммите альянса в Стамбуле. Вместе с ней в Североатлантический альянс вошли три государства Балтии, а также Болгария, Словакия и Словения. Румыния могла вступить в НАТО еще в 1999 году, в рамках «четвертого расширения». Ее кандидатуру поддерживали Париж и Италия, но США посчитали, что Бухарест еще не отвечает всем необходимым требованиям для приема в эту организацию, и, в конечном итоге, на саммите НАТО в Мадриде в 1997 году, Румынии было предложено подождать еще некоторое время.
После свержения коммунистического режима Чаушеску в декабре 1989 года, Румыния обратила свои взоры на Запад и, в частности, в сторону Североатлантического союза. В июле 1990 года тогдашний премьер-министр республики П.Роман направил генеральному секретарю альянса Манфреду Вернеру письмо с приглашением посетить Румынию. В нем Роман также предложил аккредитовать румынского представителя при НАТО. Спустя несколько месяцев, в октябре 1990 года, румынский посол в Бельгии получил полномочия по установлению дипломатических отношений с альянсом. Ровно через год, президент Румынии Ион Илиеску направил генеральному секретарю НАТО послание, в котором проинформировал о готовности Бухареста установить тесное сотрудничество с Североатлантическим союзом, который, как указывалось в послании, способен, как с политической, так и с военной точек зрения, обеспечить стабильность и безопасность для возрождающихся демократических стран.
В январе 1994 года Румыния, одной первых среди бывших коммунистических стран, присоединятся к Программе «Партнерство ради мира» (ПРМ). В 1995 году она подписывает Программу индивидуального партнерства. В апреле 1997 года румынский парламент единогласно принимает решение обратиться к участникам мадридского саммита НАТО с просьбой оказать поддержку в вопросе вступления страны в альянс. Саммит в Мадриде, в июле этого же года, принимает заключительное коммюнике, в котором отмечается, что Румыния, среди других стран-членов, достигла серьезного прогресса в выполнении требований по членству в Североатлантическом союзе.
В ноябре 2002 года, на Пражском саммите, Румыния, вместе с другими шестью странами-кандидатами, получает приглашение начать переговоры о вступлении в НАТО. В феврале 2004 года румынский парламент единогласно принимает закон о присоединении страны к альянсу. Первого марта он был подписан президентом Илиеску, и ровно через месяц Румыния стала полноправным членом Североатлантического союза. В соответствии с законом, принятым в 2005 году, «День НАТО в Румынии» отмечается в первое воскресенье апреля.
Являясь активным участником Программы «Партнерство ради мира», Румыния всячески содействовала проведению операций НАТО. Так, в 1999 году Бухарест разрешил натовским самолетам использовать свое воздушное пространство и аэродромы для ведения боевых действий в Югославии. В Румынии, при поддержке американских военных, был создан центр по мониторингу воздушного движения не только над ее территорией, но и соседних государств. Помимо этого румынский парламент дал разрешение на передвижение по территории страны польских и чешских контингентов «Международных сил для Косова» (KFOR) в Югославию.
После одностороннего объявления независимости Косова, Бухарест продолжал придерживаться своих обязательства в отношении KFOR- румынские подразделения продолжали выполнять свои задачи, определенные мандатом, по защите гражданского населения (с марта 2011 года военные подразделения ВС Румынии перестали принимать участие в этой операции).
В сентябре 2001 года, после крупнейшего террористического акта в США, румынский парламент принял решение об участии страны - по факту союзника НАТО – в международной борьбе против терроризма с использованием всех средств, включая, военные. По просьбе альянса Румыния предоставила натовским войскам доступ к своим аэропортам, наземным и морским объектам, а в 2002 году направила свой первый военный контингент в Афганистан в составе сил Международных сил содействия безопасности (ISAF). В настоящее время в Афганистане находятся около 1900 румынских военнослужащих.
В июле 2003 года, перебросив в иракский город Насирия пехотный батальон и полицейское подразделение, Румыния начала осуществлять военный вклад в операцию «Иракская свобода». В августе 2004 года Бухарест присоединился к натовской миссии по подготовке иракских сил безопасности. (В июле 2009 года Румыния прекратила свое участие в операции «Иракская свобода». За этот период времени через Ирак «прошли» 8400 румынских военнослужащих). С октября 2005 года ВМС Румынии стали принимать участие в натовской операции «Активные усилия» в Средиземном море.
Получив приглашение вступить в Североатлантический альянс, Бухарест приступил к масштабной перестройке национальных вооруженных сил с тем, чтобы они соответствовали стандартам НАТО. С 2007 года Румыния отказалась от призыва и полностью перешла на контрактную армию. С 2007 года Вооруженные силы Румынии готовятся по стандартам НАТО. В кадровом вопросе упор сделан на создание профессионального сержантского корпуса. Румыния постепенно модернизирует и обновляет свое вооружение. Однако в последнее время этот процесс несколько замедлился в связи с недостаточностью выделяемых средств. Если с момента вступления Румынии в альянс ее расходы на оборону составляли чуть больше 2% от ВВП, то сейчас они не превышают 1,3% от ВВП в год. Это снижение было вызвано мировым финансовым кризисом 2008 года.
Румыния является активным участником учений и тренировок, проводимых под эгидой НАТО. В последнее время отмечается все больший интерес, проявляемый США и НАТО к кавказско-черноморскому региону и Румынии отводится важная роль в вопросе установления натовского контроля над этим регионом. На территории этой страны открываются новые военные базы США и НАТО, в строительство и модернизацию которых инвестируются значительные денежные суммы.
Недавно, в сентябре 2011 года, Бухарест объявил о своем согласии разместить на своей территории ракеты-перехватчики, которые станут элементом натовской системы ЕвроПРО. Ожидается, что они смогут стать на боевое дежурство в 2015 году. Эта активность НАТО по совершенствованию в своих интересах военной инфраструктуры Румынии и размещению на территории этой страны современных вооружений вызывает беспокойство и недовольство у России.