Akademia Umiejętności od swojego założenia rozwijała współpracę zagraniczną i działalność na forum międzynarodowym. Już w XIX w. inicjowała ekspedycje archiwalne dla gromadzenia i badania źródeł do historii Polski (m.in. tzw. Ekspedycja rzymska do Archiwum Watykańskiego w związku z jego otwarciem w 1881 r.) oraz wysyłała swoich przedstawicieli na kongresy międzynarodowe. W r. 1893 AU stała się właścicielem Biblioteki Polskiej w Paryżu i utworzyła w niej swą stację naukową. Od początku swego istnienia jej biblioteka w Krakowie prowadziła szeroką międzynarodową wymianę wydawnictw. Od r. 1921 PAU była członkiem-założycielem Union Académique Internationale (UAI).

Po wznowieniu działalności odnowiono w 1993 r. członkostwo PAU w UAI i podjęto współdziałanie w programach badawczych i wydawniczych tej organizacji. Zakończono edycję polskiej serii Corpus Vasorum Antiquorum (CVA) wydaniem tomu X, poświęconego ceramice cypryjskiej ze zbiorów Muzeum Narodowego w Warszawie. Wydano arkusz Kraków Tabula Imperii Romani (TIR) oraz przygotowano materiał do arkusza 12 Atlas du Monde Grec et Romain (projekt XLVIII UAI). Rozpoczęto edycję polskiej serii Corpus Antiquitatum Americanensium (CAA), której pierwsze dwa tomy, poświęcone ceramice i tkaninom peruwiańskim ze zbiorów Muzeum Archeologicznego w Krakowie (kolekcja Klugera, dawna własność PAU), ukazały się już w druku. Po opracowaniu i wydaniu zabytków prekolumbijskich w kolekcjach polskich przystąpiono do edycji inwentarzy stanowisk odkrytych w czasie badań poszukiwawczych w dolinach rzek andyjskich na terenie Peru prowadzonych przez misje polskie. Pierwszy tom - obecnie w druku - dotyczy stanowisk w dolinie rzeki Huaura. Podjęto decyzję wydawania polskiej serii Syllogae Nummorum Graecorum (SNG), których pierwszy tom jest poświęcony kolekcjom monet greckich z Muzeum Archeologicznego w Łodzi. Tom drugi - obecnie w druku - jest poświęcony kolekcjom monet z kolonii greckich nad Morzem Czarnym ze zbiorów Muzeum Narodowego w Krakowie. Przygotowywana jest edycja dalszych kolekcji w Muzeum w Łodzi oraz w Warszawie. Członkowie PAU biorą udział w realizacji takich projektów, jak Corpus Philosophorum Medii Aevi (projekt IX) oraz Civilisations de l'Asie Centrale (projekt XXV). PAU uczestniczy też w realizacji projektu Magna Moravia (opracowanie korpusu źródeł archeologicznych, historycznych i lingwistycznych do dziejów Państwa Wielkomorawskiego). Od r. 2003 PAU jest koordynatorem projektu Corpus Epistolarum Ioannes Dantisci. Po publikacji listów Jana Dantyszka z roku 1537, w kolejnych tomach ukażą się dalsze listy tego wybitnego humanisty i dyplomaty. Projekt ten wpisuje się w całą serię europejskich przedsięwzięć dotyczących publikacji listów i dzieł wybitnych humanistów (Erazm z Rotterdamu, Lipsius).

Dzięki efektywnemu współdziałaniu PAU z UAI, doroczny zjazd plenarny tej ostatniej (przedstawiciele 44 Akademii z całego świata zrzeszeni w UAI) odbył się w 1999 r. w Krakowie, a przedstawiciel PAU w UAI Prof. Janusz K. Kozłowski, został wybrany do Biura UAI, a od roku 2002 reprezentuje UAI w CIPSH-UNESCO jako wiceprezydent.

PAU jest też członkiem ALLEA (All European Academies) organizacji zrzeszającej wszystkie europejskie Akademie Nauk i Sztuk. W dniach 22-25 marca 2006 kolejne zgromadzenie ogólne ALLEA odbyło się w Krakowie; jego organizatorami były PAU i PAN. PAU bierze aktywny udział w inicjatywach ALLEA dotyczących ochrony własności intelektualnej, obiegu informacji naukowych, roli organizacji naukowych w zjednoczonej Europie. Delegat PAU wchodzi w skład komisji ALLEA oceniającej European Science Foundation w zakresie nauk humanistycznych i społecznych.

Polska Akademia Umiejętności jest członkiem założycielem Centro Interuniversitario (Międzynarodowe Centrum Międzyuniwersyteckie dla Śródziemnomorza, Europy Środkowo-wschodniej i Euroazji (obszar Rosji i Imperium Otomańskiego)), w skład którego wchodzą: Katolicki Uniwersytet Lubelski, Uniwersytet w Tallinie, Uniwersytet w Szeged, Uniwersytet La Sapienza, Uniwersytet LUMSA, Uniwersytet Lecce, Uniwersytet w Angers, Uniwersytet w Louvain-la-Neuve i Polska Akademia Umiejętności, której sekretarz generalny jest przewodniczącym walnego zgromadzenia członków Centro.

PAU podpisała umowę o współpracy ze Słowacką Akademią Nauk. Zaowocowało to nie tylko wymianą osobową, ale też realizacją wspólnych badań w zakresie językoznawstwa, archeologii, historii oraz etnologii i historii sztuki. Prowadzone są wspólne badania terenowe, m.in. stanowisk archeologicznych we wschodniej i południowo-zachodniej Słowacji. Pierwsze rezultaty zostały podsumowane w kolejnych tomach „Prac Komisji Prehistorii Karpat”; dotyczą one osadnictwa najdawniejszych ludów rolniczych we wschodniej Słowacji i w Karpatach Polskich.

Podjęto też współpracę i podpisano umowę (1998) z Akademią Nauk Republiki Czeskiej oraz Słoweńską Akademią Nauk (1998). Powstał zamysł współpracy z Saską Akademią Nauk w zakresie wspólnych badań nad tzw. toponomastyką wendyjską na terenie wschodnich Niemiec. Wspólnie z Uniwersytetem Lipskim i Wrocławskim PAU wydaje rocznik Onomastica Slavo-Germanica. Luźniejsze formy współpracy łączą PAU z Austriacką Akademią Nauk i z Brandenburską Akademią Nauk w Berlinie. Wreszcie podpisaliśmy umowę o współpracy naukowej z Królewską Akademią Flamandzką Nauk, Literatury i Sztuk Pięknych w Belgii. Współpraca zagraniczna PAU została też zapisana w umowach międzynarodowych zawartych przez MSZ, m.in. z Francją, Włochami, Czechami, Macedonią i Egiptem.

W 2003 r. została zawarta umowa z Węgierską Akademią Nauk. Zgodnie z porozumieniem przyjęto do realizacji tematy z zakresu historii kultury (relacje artystyczne w średniowieczu i renesansie, problemy miast), historii dyplomacji (okres II wojny światowej), a także temat interdyscyplinarny dotyczący wpływu zmian środowiskowych w okresie maksimum ostatniego zlodowacenia (25 000-15 000 lat temu) na osadnictwo po obu stronach Karpat Zachodnich.

W zakresie tego ostatniego tematu prowadzono badania wykopaliskowe na stanowisku górnopaleolitycznym Eger-Andornaktalya, gdzie odkryto dwie warstw kulturowe: jedną z okresu interpleniglacjalnego (jest to pierwsze otwarte stanowisko kultury oryniackiej na Węgrzech datowane ok. 30 400 lat temu), a drugą z okresu bezpośrednio poprzedzającego maksimum zlodowacenia, na którym wystąpiły różne surowce kamienne pochodzące z południowej Polski. Dowodzi to refugialnego charakteru osadnictwa w tym okresie w Kotlinie Karpackiej w stosunku do ziem polskich. W roku 2006 planowane są dalsze badania otwartych stanowisk paleolitycznych w rejonie Egeru.

W r. 1994 utworzono Stację Naukową PAU w Nowym Jorku w oparciu o Polski Instytut Naukowy w Ameryce (The Polish Institute of Arts and Sciences in America), który w okresie II wojny światowej, oraz w czasie przymusowego zawieszenia działalności PAU w latach 1952-1989, kontynuował jej tradycje.

Nawiązano też kontakty z Polskim Instytutem Naukowym w Kanadzie (Polish Institute of Arts and Sciences in Canada) powstałym w 1943 r. jako oddział Polskiego Instytutu w Nowym Jorku, a od r. 1976 działającym jako niezależna instytucja kanadyjska na Uniwersytecie Mc Gill. Wytypowano tematy z zakresu medycyny i archeologii, które będą realizowane wspólnie z Uniwersytetem Mc Gill w Montrealu.

PAU przejęła program naukowy Polskiego Instytutu Historycznego w Rzymie, finansowany przez Fundację Lanckorońskich. Program dotyczy publikacji Akt Nuncjatury Apostolskiej w Polsce i jest bezterminowy.

W 2001 r. podpisana została umowa o współpracy naukowej PAU z Uniwersytetem La Sapienza w Rzymie. Dotyczy ona na razie historii i archeologii, ale w miarę potrzeby może być rozszerzona na inne dyscypliny. Podobne porozumienie podpisano również z Uniwersytetem w Lecce w roku 2003.

Nawiązując do dawnej tradycji, PAU współorganizuje badania archeologiczne na Ukrainie, m.in. kontynuując rozkopywanie wielkiego kurhanu scytyjskiego w Ryżanówce. Badania te przyniosły jedno z najznakomitszych odkryć archeologicznych ostatnich lat, bogato wyposażony pochówek władcy scytyjskiego. Wspólnie z osórodkiem we Lwowie prowadzone są badania archeologiczne w basenie górnego Dniestru, przynoszące istotne rezultaty w zakresie poznawania osadnicta z przełomu neolitu i epoki brązu. Ostatnio podpisana (marzec 2006) umowa z Narodową Akademią Nauk Ukrainy stworzy oparcie dla istniejącej już współpracy, rozszerzając ją także na inne dyscypliny, przede wszystkim historię (kwerendy archiwistyczne) oraz geologię czwartorzędu (projekty nowych badań w miejscu odkrycia fauny plejstoceńskiej w Staruni).

Nawiązując do przedwojennych zamierzeń, PAU przyczynia się też do realizacji badań archeologicznych w Grecji. Badania te dotyczą unikatowej w tej części Europy sekwencji nawarstwień w Jaskini nr 1 w Klisurze (wschodni Peloponez), w których występują ślady osadnictwa i znaleziska paleontologiczne z okresu ostatniego zlodowacenia. Badania te przyczyniają się nie tylko do poznania ewolucji kultury na terenie Grecji, ale też zmian klimatycznych i paleoekologicznych w okresie ostatnich 100.000 lat.
Od roku 2003 realizowany jest w PAU projekt badawczy Ministerstwa Nauki dotyczący roli wysp greckich w kontaktach drogą morską pomiędzy Bliskim Wschodem i Europą. Badania prowadzone na wyspie Giaura (Sporady) oraz Kytnos (Cyklady) pozwoliły na odkrycie osadnictwa mezolitycznego z okresy końca X do VIII tysiąclecia p.n.e. W stanowisku Maroulas na wyspie Kytnos odsłonięto ślady architektury kamiennej o nawiązaniach do Bliskiego Wschodu; jednocześnie obecność szczątków udomowionych zwierząt wskazuje na rolę kontaktów morskich w pojawieniu się gospodarki wytwórczej (neolitycznej) w południowo-wschodniej Europie.

PAU wspierała też badania prowadzone przez Instytut Archeologii Uniwersytetu Jagiellońskiego w delcie Nilu, w ramach umowy o współpracy kulturalnej pomiędzy Polską i Egiptem.