基礎科学はもともと国境のない学問ですが、特に研究施設の高度化と大型化が進むにつれ、国を越えた交流がますます重要になっています。物構研が所属する高エネルギー加速器研究機構（KEK)は、国際共同利用研究の場を提供し、世界的な役割分担を拡充し続けています。一方、海外協力研究は、我が国での研究を補う役目を果たしています。特に、本機構は日本側の代表機関として、高エネルギー物理学での日米協力、日欧協力及び中性子散乱研究のための日英協力を推進しています。

フォトンファクトリーでは1992年よりオーストラリアビームラインが稼働し、オーストラリア研究者による第一級の研究成果の創出だけでなく、研究技術や人材育成によりオーストラリアの放射光施設Australian Synchrotronの設立に寄与しました。また、2009年にはインドビームラインが設置され、インド側ユーザーによる構造解析の基礎研究の展開とともにインドの若手研究者育成のため、2011年より実験を開始しています。
近年では、アジア・オセアニア地域の放射光連携に力を入れており、中東地域のSESAME加速器の建設、研究者の養成に協力しています。