Международная деятельность Атомэнергопрома направлена на выполнение основных задач по развитию атомной энергетики в России, повышению экономической эффективности и ядерной безопасности предприятий отрасли. Она предусматривает конструктивное взаимодействие с международными ядерными организациями, в частности с МАГАТЭ (IAEA), Всемирной ядерной ассоциацией (WNA), Всемирной ассоциацией операторов ядерных станций (WANO). В частности, сотрудничество с WANO дочернего предприятия холдинга, концерна «Росэнергоатом» позволяет год от года повышать ядерную безопасность при эксплуатации российских атомных станций.

Международная деятельность включает сотрудничество, осуществляемое в рамках межправительственных соглашений, а также прямых соглашений с зарубежными предприятиями и организациями. Так, «Урановый холдинг АРМЗ» (Атомредметзолото) активно расширяет сотрудничество с иностранными партнерами при освоении урановых месторождений: создано совместное предприятие по добыче урана с Казахстаном, Канадой, Арменией, планируется создание подобных предприятий с Монголией, ЮАР. Атомэнергопром участвует в реализации межправительственного соглашения о разработке Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР). В частности, на одном из заводов ОАО "ТВЭЛ" в рамках этого проекта создается производство сверхпроводящих материалов для данного реактора.

Атомэнергопром взаимодействует с рядом зарубежных компаний-партнеров, проводя тем самым политику расширения кооперационного сотрудничества в мировой атомной отрасли. Создано совместное предприятие по производству тихоходных турбин с французской компанией Alstom. Заключено рамочное соглашение о партнерстве с японской компанией Toshiba Corp. Изучаются возможности сотрудничества с Siemens.