Эстония присоединилась к НАТО 2 апреля 2004 года, в рамках самого крупного за всю историю этого альянса «пятого расширения». Начиная с 1991 года, Эстония принимает участие в работе Совета Североатлантического сотрудничества - будущего Совета евроатлантического партнерства. Активизация отношений с НАТО для Эстонии означала, прежде всего, дополнительные гарантии независимости, с одной стороны, и подтверждение «верности» западному курсу, с другой.
С 1994 по 1997 год Эстония прошла путь от страны-партнера до участника военной миссии НАТО в Боснии и Герцеговине (в обеспечении безопасности в ходе конфликта принимала участие разведывательная рота ВС этой страны). Привлечению контингента Эстонии к операциям НАТО предшествовали участие этого государства в программе «Партнерство ради мира», а также разработка специального плана взаимодействия Эстонии и НАТО, который детализировал взаимодействие двух сторон более чем в 20 областях. В апреле 1999 года на саммите НАТО в Вашингтоне Эстонию признали одним из кандидатов на вступление, и вскоре подразделение пехоты эстонской армии приняло участие в операции в Югославии в составе военного контингента НАТО.
В 2002 году на саммите НАТО в Праге Эстония получает приглашение (вместе с Болгарией, Литвой, Латвией, Румынией, Словакией и Словенией) принять участие в переговорах о вступлении в альянс. Эстония подкрепляет свое желание войти в НАТО отправкой «группы разминирования» в Афганистан. В июне 2004 года после своего официального вступления в альянс Эстония впервые приняла участие в качестве полноправного члена со всеми обязанностями, правами и возможностями во встрече НАТО в верхах в Стамбуле. Важно отметить, что вхождение Эстонии в альянс как до, так и на момент включения страны в состав организации, мотивировалось, прежде всего, необходимостью гарантировать в будущем безопасность на восточной границе. Такой подход всегда вызывал многочисленные негативные реакции со стороны России.
Особую роль в ходе принятия Эстонии в НАТО сыграла программа мониторинга воздушного пространства стран Балтии. Поскольку в ходе распада Советского Союза Эстония потеряла возможность по обеспечению безопасности своего воздушного пространства, военные самолеты НАТО (начиная с 2004 года), на ротационной основе, стали осуществлять полеты над территорией Эстонии для обеспечения защиты страны с воздуха (подобное патрулирование осуществляется над территориями Литвы и Латвии). Именно программа мониторинга воздушного пространства является главным вкладом альянса в обеспечение безопасности Эстонии, для которой данная программа важна, как с практический, так и политической точек зрения, поскольку она демонстрирует наличие коллективной безопасности, которая является краеугольным камнем политики НАТО с момента зарождения этого альянса.
Следует отметить, что Эстония принимала и принимает активное участие в операциях НАТО: Косово, Ираке и Афганистане. Помимо этого военные подразделения и корабли Эстонии входят в состав так называемых «Сил реагирования НАТО» (СРН), созданных в 2003 году. Согласно «Плана развития обороны» на 2009-2018 гг., Эстония планировала продолжить выделение военных сил и средств для операций, проводимых под эгидой НАТО и ЕС, однако до конца 2012 года правительство Эстонии намерено принять новый «План обороны на 2013-2022 годы», который придет на замену ныне действующему документу. Главной причиной его разработки называется необходимость более тщательного планирования в условиях финансовых трудностей. Тем не менее, по заверению министра обороны Эстонии, основные концептуальные моменты, касающиеся обеспечения безопасности страны останутся прежними - коллективная оборона в рамках НАТО.
Отвечая на новые угрозы, в частности, вызванные массированными кибератаками на информационные системы страны, правительство Эстонии (в 2008 году) приняло Стратегический план киберзащиты, рассчитанный на период 2008-2013 гг. В мае 2008 года в Таллинне был открыт Координационный Центр НАТО по вопросам киберзащиты. Основателями этого центра, помимо Эстонии стали еще шесть стран: Германия, Словакия, Италия, Литва, Латвия и Испания. В 2010 году к ним присоседилась Венгрия.
Уровень поддержки решения о вступлении Эстонии в НАТО среди населения этой страны считается одним из самых высоких, правда только треть неэстонского населения одобряет присоединение данной прибалтийской страны к НАТО, а операции, в которых принимают участие подразделения ВС Эстонии, поддерживает примерно половина от общего числа опрошенных.
