협력고도화기에 2001년 과학기술 국제화 추진 전략이 수립되면서 과학기술 국제협력이 체계화되고 장기적인 관점에서 추진되었다. 협력대상국은 전 세계의 국가들과 국제기구 및 지역 협력체 등이 추가되었고 한영 과학기술연수 등의 양자간 협력 외에 CERN 등과의 다자간 협력, APEC 등의 지역협력체 참여,  OECD 등과의 개발도상국 지원이 활발히 이루어지고 있다.
협력고도화기 (2001년-2007년)에는 2001년 과학기술 국제화 추진 전략이 수립되면서 과학기술 국제협력이 좀 더 체계화되었다. 이 계획이 수립되면서 과거와 달리 과학기술 국제협력이 보다 장기적인 관점에서 추진될 수 있게 되었고, 또한 해마다 과학기술 국제화에 관한 계획을 수립하고 집행할 수 있게 되었다. 과학기술 협력 담당조직은 2004년 기술협력국에서 과학기술협력국으로 변경되며, 과학기술 국제협력 업무를 위탁받아 수행하던 전문기관도 2002년 한국과학기술기획평가원, 2005년 한국과학재단, 2007년에는 해외 우수연구기관 유치사업을 전담하는 기관인 국제과학기술협력재단으로 변경되었다. 협력고도화기의 협력대상국은 서구 선진국, 북방권 국가를 비롯하여, 중남미, 아프리카, 동남아시아 등 전 세계의 국가들과 UN, APEC, ASEM 등 국제기구 및 지역 협력체 등이 추가되었다. 협력형태에 있어서도 양자간 협력 외에 다자간 협력도 활발히 이루어지고 있다. 우리나라는 현재 EU Framework program, EUREKA, CERN, HFSP 등 다양한 다자간 과학기술 협력프로그램에 참여하고 있으며, 한영 과학기술연수, 한미 특별협력프로그램 등 양자간 과학기술 국제협력 또한 활발히 이루어지고 있다. 그리고 동북아 과학기술네트워크, APEC 등 지역간 협력체에도 참여하여 과학기술협력을 추진하고 있으며, 또한 OECD, UNDP 등과 함께 개발도상국 지원도 확대하고 있다. (박세인, 2011)