Per quanto riguarda le relazioni e la cooperazione con Paesi extra europei, più precisamente quelli non membri dell'Unione Europea o dell'Agenzia Spaziale Europea, l'ASI ha stabilito rapporti e progetti di cooperazione con le più importanti agenzie spaziali nel mondo. Prima fra tutte, la NASA, l'agenzia spaziale statunitense, con la quale la cooperazione è intensa e proficua. Importanti relazioni e accordi di cooperazione sono stati finalizzati anche con altre agenzie, quali Roscosmos (Federazione Russa), CONAE (Argentina), JAXA (Giappone), ISA (Israele), ISRO (INDIA), CSA (Canada), BSA (Brasile), KARI (Corea), CNSA (Rep. Popolare Cinese), NARSS (Egitto) e con Kenya che non ha ancora un'agenzia. Numerose poi sono le relazioni in corso con altri Paesi impegnati nelle attività spaziali, in particolare, con Australia, Sud Africa, Cile, Ucraina, Costa Rica, Bolivia, Messico, Equador, Uruguay, Bolivia, Venezuela. Nel 2010 sono stati stabiliti contatti anche con lo Stato del Vaticano.

Con la NASA esiste una solida tradizione di rapporti bilaterali, stabilitisi già negli anni 60' e numerosi sono i programmi di cooperazione, in particolare in ambito scientifico.  Le ottime relazioni di stima e amicizia tra ASI e NASA hanno permesso all'Italia di partecipare ad importanti missioni americane, quali Tethered (1992), Lageos (1992), Cassini (1994), oltre al progetto per la costruzione e l'utilizzazione della Stazione Spaziale Internazionale (ISS), in cui l'Italia, unico tra i paesi europei, gode di un accordo privilegiato ASI-NASA col quale ha contribuito alla realizzazione di tre Moduli Logistici Pressurizzati (MPLM). Uno di questi tre, il PMM (Permanent Multipurpose Module)  è stato attraccato perennemente alla ISS nel marzo 2011. Attraverso l'Agenzia Spaziale Europea, l'Italia ha anche contribuito alla ISS con la realizzazione dei Nodi 2 e 3, della Cupola, e di parti importanti dei Moduli Europei, quello scientifico  Columbus, e di quello di trasporto ATV.

Diverse sono le missioni scientifiche di NASA a cui ASI ha partecipato, grazie alla competenza e all'alta specializzazione di Istituti di ricerca e industrie nazionali, come le missioni PLANCK (2008), SWIFT (2003), MARSIS (2003), SHARAD (2010), INTEGRAL (2003), HETE (2000), FERMI-GLAST (2007), DAWN (2007), JUNO (2008), AMS (2003-2011) e BEPI COLOMBO (lancio previsto nell'Agosto 2013).

Nel 2011 ASI ha ricevuto importanti riconoscimenti per le sue alte capacità scientifiche, quale il premio NASA Honor Award e lo Smithsonian National Air and Space Museum Trophy for Current Achievement, in particolare, per l'impegno  nella missione Cassini. Cassini-Huygens ha permesso di conoscere il sistema di lune e anelli di Saturno. La sonda comunica a terra grazie a un'antenna ad alto guadagno che, assistita da un complesso sistema elettronico di bordo, è stata fornita dall'ASI e rappresenta il cuore del sistema di telecomunicazioni della missione. Sono italiani anche il canale visibile dello spettrometro a immagini VIMS, le unità a radiofrequenza del radar e lo strumento di radioscienza, capace di rivelare l'effetto delle onde gravitazionali e di effettuare misure relativistiche.

L'Italia si è anche qualificata nei programmi dei voli abitati con l'addestramento e il volo di astronauti Italiani, quali Franco Malerba (1992), Umberto Guidoni (1994 e 1996), Paolo Nespoli (2007 e 2010) e Roberto Vittori (2002, 2005 e 2011). Due nuovi  astronauti italiani selezionati da ESA per il Corpo Astronautico Europeo, Luca Parmitano e Samantha Cristoforetti, voleranno rispettivamente,  nel 2013 e 2015.

Con Roscosmos ASI coopera sulla base di un accordo inter-governativo per l'uso e l'utilizzo dello spazio extra-atmosferico a fini pacifici firmato nel 2000 e attraverso il Consiglio Italo-Russo per la cooperazione economica, industriale e finanziaria, all'interno del quale ASI  co-presiede il Gruppo Spazio. La collaborazione tra le due agenzie avviene attraverso una serie di Gruppi di Lavoro Tematici focalizzati  in diverse discipline.  In particolare, ASI e Roscosmos collaborano nel settore della propulsione spaziale con un Memorandum del 2002, in programmi scientifici come lo studio della radiazione cosmica (PAMELA, anno 2006) e le attività relative alla missione russa MILLIMETRON, la quale prevede la realizzazione di un osservatorio orbitante dotato di uno specchio record di 12 metri di diametro, il cui lancio è previsto per il 2017.  Altri campi di interesse comune su cui ASI e Roscosmos stanno lavorando riguardano le Telecomunicazioni e l'Osservazione della Terra.

Tra ASI e la JAXA le relazioni bilaterali si sono intensificate con la Dichiarazione di Intenti sottoscritta a Tokyo nel Novembre 2004 e, soprattutto, a partire dall'evento "Italy in Japan 2009". Nel  2007 l'ASI ha attivamente partecipando all'evento della "Primavera Italiana" in Giappone, in collaborazione con JAXA. Diversi sono i campi di comune interesse nel campo scientifico, della propulsione, dell'Osservazione della Terra per combattere le criticità ambientali e climatiche.

Dopo la tragedia che ha colpito il Giappone l'11 Marzo 2011, lo Strategic Headquarters for Space Policy ha ringraziato l'ASI per il suo intervento nella gestione dell'emergenza con i dati del sistema satellitare di Osservazione della Terra,  COSMO SkyMed.

Le relazioni tra Italia e Argentina si fondano sull'accordo inter-governativo per la Ricerca e l'Utilizzazione dello spazio extra-atmosferico a fini pacifici, firmato nel 1992. Su questa base, ASI e CONAE hanno intensificato i loro rapporti, in particolare, nel campo dell'Osservazione della Terra per la prevenzione e la gestione dei grandi rischi e dei disastri naturali. Nel Luglio 2005, ASI e CONAE hanno firmato un importante accordo per la realizzazione del Sistema Italo-Argentino di Satelliti per la Gestione delle Emergenze (SIASGE), sistema unico al mondo, che vede l'integrazione delle due costellazioni satellitari radar, quella Italiana in banda X di COSMO-SkyMed, e quella Argentina in banda L di SAOCOM. Nell' Aprile 2011 ASI e CONAE hanno sottoscritto un nuovo accordo di formazione relativo all'Istituto di Alti Studi Spaziali 'Mario Gulich' di Cordoba. Il progetto prevede, tra l'altro, l'istituzione di un Centro regionale di eccellenza dedicato alla ricerca e alla formazione di esperti in applicazioni spaziali di dati telerilevati , in particolare quelli derivati dal SIASGE.

ASI ha collaborato con la CONAE anche alla realizzazione del satellite SAC-D/Acquarius, imbarcando a bordo lo strumento scientifico di Radio Occultazione, ROSA.

Le relazioni con l'Agenzia Spaziale Israeliana (ISA), iniziate già nel 2005 con un accordo quadro generale, sono proseguite con la successiva definizione di un accordo riguardante la missione iperspettrale SHALOM , firmato nel mese di Luglio 2010. In Aprile 2012 il Ministro della Scienza e Tecnologia israeliano ha fatto visita all'ASI, prima di incontrare i Ministri italiani della Ricerca e degli Esteri.

Un accordo intergovernativo tra Italia e Kenya del 1995 è a fondamento del Progetto S. Marco, relativo alla Base spaziale, oggi chiamata "Luigi Broglio", a Malindi, dedicata al controllo di satelliti e ricezione dati. Dal 2004 ASI gestisce, per conto dell'Italia, la Base situata sulla costa dell'Oceano indiano. E' in corso la finalizzazione del nuovo accordo intergovernativo corredato da 5 Protocolli esecutivi  alla realizzazione di un Centro Regionale di Osservazione della Terra, alla Formazione, alla Telemedicina, al supporto per la creazione di un'Agenzia Spaziale Keniana.

L'accordo inter-governativo tra Italia e Cina sull'Esplorazione e l'Uso dello spazio extra-atmosferico a fini pacifici, firmato nel 1991, è alla base dei rapporti tra ASI e CNSA. Nel Novembre 2011 ASI CNSA hanno firmato l'Accordo sulla Cooperazione nel campo delle Attività Spaziali per scopi pacifici, il quale apre importanti opportunità di collaborazioni bilaterali in molteplici settori.

Le relazioni bilaterali con l'Egitto, nate nel 2008, sono riprese nel 2010 con la firma tra ASI e NARSS del Memorandum sulla Collaborazione nel settore dell'Osservazione della Terra, Applicazioni e Tecnologie Spaziali.

Le relazioni tra ASI e KARI sono basate su un Memorandum di collaborazione su programmi spaziali, firmato nel 2010. Sono in corso relazioni per valutare progetti di comune interesse nel settore dell'Osservazione della Terra.

Le relazioni tra ASI e ISRO, si fondano su due accordi-quadro, il primo del 2000, il secondo del 2005, che hanno portato alla finalizzazione nell'Ottobre 2005 di un Memorandum per l'imbarco dell'esperimento italiano di radio-occultazione, ROSA, sul satellite indiano OCEANSAT-2.

Con l'Agenzia Spaziale Brasiliana (BSA) l'ASI ha firmato un accordo quadro nel  Novembre 2008. L'intesa permette di cooperare per lo sviluppo tecnologico ed industriale in alcune  aree di interesse comune, quali  Scienza dello Spazio, Osservazione della Terra ( in particolare monitoraggio ambientale), meteorologia, geodesia, gestione dei disastri, Comunicazioni, Formazione.

Con l'Agenzia Spaziale Canadese (CSA) l'ASI ha sempre avuto buone relazioni anche grazie alla partecipazione del Canada all'ESA attraverso uno speciale accordo di cooperazione risalente al 1979. Nel 2012 ASI e CSA hanno concordato di collaborare per l'utilizzo dei dati dei rispettivi Sistemi satellitari, COSMO-SkyMed e RADARSAT.

I primi contatti ufficiali tra ASI e Santa Sede risalgono al 2010 e hanno permesso all'astronauta Roberto Vittori di portare a bordo della ISS una moneta offerta dal Papa Benedetto XVI. Nel 2011 è avvenuta la storica telefonata tra il Papa e l'equipaggio della Stazione Spaziale Internazionale, del quale facevano parte anche gli italiani Paolo Nespoli e Roberto Vittori.

Al di là delle relazioni bilaterali, ASI mantiene numerose relazioni internazionali multilaterali, partecipando  ad  Organizzazioni e Comitati internazionali. Tra questi, il Comitato per l'Uso Pacifico dello Spazio extra-Atmosferico delle Nazioni Unite (COPUOS), il Gruppo per l'Osservazione della Terra (GEO), il Comitato per i Satelliti di Osservazione della Terra (CEOS), il Comitato per la Navigazione Satellitare (ICG), il Comitato di Coordinamento inter-Agenzia per i detriti (IADC),  i Gruppi di Lavoro per l'Esplorazione, inclusi quelli per la Luna e Marte, e il Gruppo Internazionale sull'utilizzo della ISS con strumenti di   Medicina e Biotecnologia.

ASI, inoltre, supporta le attività di promozione della cultura spaziale attraverso Associazioni, quali IAF, COSPAR, EURISY e Istituzioni di Alta Formazione, quali l'European Space Policy Institute (ESPI) e l'International Space University (ISU).