Le 12 septembre 2001, au lendemain des attentats, les membres de l’OTAN déclarent que l’article 5 du traité de Washington pourra être invoqué si l’attaque a été dirigée depuis l’étranger. Après confirmation, le 2 octobre, de l’implication d’Al-Qaïda, cette clause de défense collective est officiellement activée pour la première fois depuis la création de l’Alliance en 1949. Le geste possède une forte portée politique : les alliés européens présentent l’attaque contre les États-Unis comme une attaque contre l’ensemble de l’Alliance.
L’article 5 ne signifie pourtant pas que tous les États doivent participer de manière identique à une guerre. Chaque allié choisit les mesures qu’il juge nécessaires. L’OTAN déploie des avions AWACS pour surveiller l’espace aérien américain et lance l’opération Active Endeavour en Méditerranée. L’invasion initiale de l’Afghanistan est conduite principalement par les États-Unis et une coalition de volontaires, non par l’OTAN en tant que telle.
Le rôle de l’Alliance devient central lorsque l’OTAN prend en août 2003 le commandement de l’ISAF, mandatée par l’ONU. Elle mène alors sa première grande opération terrestre hors de la zone euro-atlantique. L’épisode transforme durablement l’organisation : d’une alliance pensée pour défendre l’Europe contre une invasion soviétique, elle devient aussi un instrument de gestion de crises extérieures.