La Ville de Nancy entretient des relations privilégiées avec huit villes jumelles : Cincinnati (Etats-Unis), Kanazawa (Japon), Karlsruhe (Allemagne), Kiryat-Shmona (Israël), Liège (Belgique), Lublin (Pologne), Newcastle (Royaume-Uni), Padoue (Italie). Ces jumelages, visant à favoriser le rapprochement des peuples et des cultures, se concrétisent par des visites réciproques, l'accueil de délégations, des actions de coopération économiques ou culturelles ainsi que de nombreux échanges.

En partenariat avec plusieurs villes jumelées, notamment Karlsruhe et Padoue, le service des relations internationales organise chaque été, depuis 1973, l'accueil dans les services municipaux de stagiaires étrangers. Réciproquement, les jeunes nancéiens ont la possibilité d'effectuer des stages organisés par les municipalités des villes jumelées.

Afin de bénéficier d'échanges d'expériences avec d'autres villes françaises ou étrangères, Nancy adhère et participe aux grands réseaux européens et internationaux : l'association Cités Unies France, l'Association française du Conseil des Communes et des Régions d'Europe, le Réseau Art Nouveau Network, la Coalition européenne des villes contre le racisme, le réseau Villes Lauréates du Prix de l'Europe (prix reçu en 1969 avec Karlsruhe), le Réseau français des villes santé de l'OMS et le programme Comenius Regio en partenariat avec la Ville de Kassel (Allemagne) afin de favoriser la coopération régionale dans le domaine de l'enseignement scolaire et de la formation des enseignants.

Le service accorde des subventions aux établissements scolaires et aux associations œuvrant dans le domaine de la solidarité internationale et participant à la découverte des cultures du monde. Ces projets prennent la forme de voyages scolaires, d'expositions, de conférences, de projets humanitaires et de manifestations culturelles. Durant un mois entier, la manifestation « Mai, mois de l'Europe » regroupe autour de cette thématique, une programmation d'activités riches et variées.

Des actions de solidarité internationale d'urgence peuvent être prises pour venir en aide aux populations sinistrées, comme par exemple en 2011 lors de l'accident nucléaire de Fukushima.