在深化国际合作方面，研究所与国际上一些著名科研机构、专业院校、智库单位等开展了广泛和深入合作，其中包括麻省理工学院、哈佛大学、世界资源研究所、德国波茨坦气候影响研究所 、欧洲经济研究中心、联合国开发计划署、联合国环境规划署、巴黎高科、德国明斯特大学、日本庆应大学等。
例如：
研究所与美国麻省理工学院的合作推动发起了“清华—麻省理工中国能源与气候变化研究项目”。
双方分别投入约100万美元，开启长期合作机制。项目联合研究开发了一套先进的针对中国特点的模型工具，为中国的政策制定和国际谈判提供了重要的支持。项目组织了一个高度协作的团队，开展了密切的国际合作，形成了对于中国能源系统及其国际影响的共同认识，并培养了一批能够独立从事创新性研究的青年人才，应对未来全球可持续发展的挑战。
研究所与美国哈佛全球研究所共同开展全球碳定价研究。
双方建立了良好合作机制，组织了一个高度协作的团队，联合邀请国内外碳市场知名学者和研究机构举办了具有影响力的国内外研讨会，为中国全国碳市场的政策制定和国际经验交流提供了重要的支持。
研究所作为中方牵头单位与德国明斯特大学、德国波茨坦气候影响研究所和欧洲经济研究中心合作开展“气候变化保护与区域空气污染治理的综合经济分析" （INTEGRATE）项目研究。
该项目拟研究温室气体排放和空气质量协同控制的关键科学问题，形成适用于不同国家、不同发展阶段的协同控制理论和方法。
在中法教育合作框架下，与法国著名高校开展能源领域高级硕士联合培养项目。
截至2019年共有200名中外学生参加该项目，并获得双方学位，其中国际留学生为150人，清华学生50人(核研院学生为29人)。项目实施过程中双方互免学费，所发生的教学实践费用主要由法方承担。另外，该项目还在2014年和2019年两次获得清华大学教学成果二等奖。
