Taasloomisest alates on merevägi olnud mitme eduka rahvusvahelise koostööprojekti elluviija. Eesti oli esimene Balti riik, kes andis oma sõjalaeva NATO reageerimisjõudude NATO Response Force (NRF) koosseisu. Ühtlasi oli staabi- ja varustuslaev Admiral Pitka esimene Eesti kaitseväe üksus, mis osales NRF-i tegevuses. 2006. aasta sügisel kuulus eskaadrisse ka esimene Balti riikide miinitõrjelaev – Eesti miinijahtija Sulev.
2017. aastal korraldas merevägi Euroopa merevägede nooremohvitseridele suunatud seminari ESYO (European Seminar for Young Officers), mille eesmärgiks on edendada liikmeksolevate merevägede üksteisemõistmist ja suurendada mereteadlikust oma liikmesriikides. Tegemist oli esimese korraga, mil 1999. aastal alguse saanud iga-aastane liikmesriikide vahel roteeruv üritus toimus Eestis.
2017. aastal korraldas merevägi miinitõrjevõimekust käsitleva NATO koostöökohtumise (TTEP). Töögrupi kohtumisel fikseeriti liitlaste ettepanekud valdkonnas toimuvatel õppustel ja operatsioonidel rakendatava metoodika, taktika ning toetavate protseduuride parendamise osas. Lisaks mereväelastele Eestist võtsid töökohtumisest osa 16 liitlast eri riikidest.
Merevägi panustab Euroopa Liidu sõjalisse Vahemere missiooni EUNAVFOR Med/Sophia, mis sai alguse 2015. aasta 22. juunil. Missiooni eesmärgiks on piirata Liibüa rannikul tegutsevate inimsmuugeldajate liikumisvabadust ja teha jõupingutusi selleks, et tuvastada, hõivata ja hävitada alused ja muu vara, mida kasutatakse isikute ebaseaduslikult üle piiri toimetamiseks või inimkaubanduseks.
2013. aastal osales merevägi sõjalaeva julgestusmeeskonnaga NATO terrorismivastasel mereoperatsioonil Active Endeavour, eesmärgiga tagada sõjalaeva ning pardumisoperatsioonide kaitse.
Lisaks NATO üksuste tegevuses osalemisele on merevägi andnud oma panuse ÜRO ja Euroopa Liidu julgeoleku- ja humanitaarabiprogrammidesse. Koostöös Prantsusmaa ja Saksamaaga osaleti alates 2010. aastast 2013. aasta kevadeni Euroopa Liidu piraatluse vastasel operatsioonil Atalanta, mille ülesanne on kaitsta ÜRO Maailma Toiduabiprogrammi (WFP) raames Somaaliasse toiduabi transportivaid ning teisi Adeni lahes ja Somaalia ranniku lähistel liikuvaid aluseid.
Merevägi esindab Eestit 2009. aastal loodud Läänemere-äärsete riikide lepinguorganisatsioonis Sea Surveillance Co-operation Baltic Sea (SUCBAS).