Die BGR kooperiert mit Partnern in aller Welt und beteiligt sich im Auftrag der Bundesressorts und in Abstimmung mit nationalen und internationalen geowissenschaftlichen Institutionen an der wissenschaftlich-technischen Zusammenarbeit sowie der europäischen und internationalen Kooperation im Geosektor. Sie berät das BMZ in den Themenfeldern Energierohstoffe, mineralische Rohstoffe, Grundwasser, Boden, Nutzung des tieferen Untergrundes und Gefährdungsanalysen und führt Projekte der Technischen Zusammenarbeit mit Entwicklungsländern im Direktauftrag des BMZ durch.
Die BGR führt das Koordinationsbüro des DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft) Infrastruktur-Schwerpunktprogramms IODP3 und unterstützt somit den deutschen Beitrag zu diesem internationalen geowissenschaftlichen Gemeinschaftsprojekt zur Erforschung von bislang unzugänglichen Bereichen im Meeresboden.
Die BGR ist fachlicher Ansprechpartner der Bundesregierung für die Überwachung der Einhaltung des Kernwaffenteststoppabkommens (CTBT), betreibt das nationale CTBT-Datenzentrum sowie seismologische und Infraschallstationen des internationalen Monitoring-Systems der CTBT-Organisation in Wien.
Innerhalb Deutschlands steht die BGR in engem Austausch mit den Staatlichen Geologischen Diensten der 16 Bundesländer. Zweimal pro Jahr trifft sich der sog. Bund/Länder-Ausschuss Bodenforschung (BLA-GEO) zur Besprechung geowissenschaftlicher Fragestellungen, die länderübergreifend sind oder Bund und Länder berühren. Die BGR unterstützt die Europäischen Institutionen, etwa bei der Mitgestaltung von EU-Richtlinien und -Programmen. Dies geschieht meist unter dem Dach von EuroGeoSurveys (EGS), dem Verband der europäischen geologischen Dienste, den die BGR im Jahr 1995 mitbegründet hat.
Die Internationale Union der Geowissenschaften (IUGS) befasst sich mit geowissenschaftlichen Fragestellungen weltweit. Nationale Vertretung ist das Deutsche Nationalkomitee für die IUGS, dessen Sekretariat bei der BGR angesiedelt ist.