Polska Agencja Kosmiczna ma za zadanie zapewnić spójność działań podejmowanych przez różnorodne polskie podmioty w dziedzinie polityki kosmicznej. Cel ten jest realizowany m.in. poprzez koordynację udziału przedstawicieli Polski w pracach międzynarodowych komitetów i grup roboczych. Agencja opracowuje również koncepcję polskiej polityki kosmicznej i jest odpowiedzialna za monitorowanie jej realizacji oraz współkształtuje, we współpracy z właściwymi ministerstwami, stanowisko Polski w odniesieniu do europejskiej kosmicznej polityki przemysłowej.

POLSA uczestniczy w działaniach międzynarodowych instytucji zajmujących się kosmosem m.in. Komisji Europejskiej (KE), Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA), Europejskiej Organizacji Eksploatacji Satelitów Meteorologicznych (EUMETSAT), Europejskiej Agencji Obrony (EDA), Komitetu Organizacji Narodów Zjednoczonych ds. Pokojowego Wykorzystania Przestrzeni Kosmicznej (UN COPUOS). POLSA utrzymuje również kontakty międzynarodowe w ramach grup roboczych, takich jak: International Space Exploration Coordination Group (ISECG), International Mars Exploration Working Group (IMEWG), czy Committee on Earth Observation Satellites (CEOS). Udział w pracach ww. instytucji i grup umożliwia m.in. wspieranie polskich podmiotów sektora kosmicznego poprzez konsultacje, czy doradztwo w zakresie udziału w ich programach. Ponadto POLSA współpracuje z agencjami narodowymi krajów europejskich i pozaeuropejskich, a także konsoliduje interesariuszy polskiego sektora kosmicznego.

Jednym z przykładów rozwijającej się współpracy międzynarodowej jest kooperacja z NASA. W 2021 r. w obecności zastępcy administratora NASA Pameli A. Melroy zostało podpisane przez Prezesa POLSA porozumienie Artemis Accords. Daje ono Polsce możliwość udziału w wielostronnych programach NASA, dotyczących eksploracji Księżyca, Marsa i innych ciał niebieskich. POLSA aktywnie działa w ramach porozumienia, współprzewodnicząc razem z Brazylijską Agencją Kosmiczną jednej z grup roboczych, goszcząc szefa NASA w siedzibie POLSA, czy też z sukcesem organizując warsztaty dla sygnatariuszy porozumienia w czerwcu 2023 r. w Gdańsku.

POLSA prowadzi współpracę międzynarodową także poprzez organizację udziału polskich podmiotów sektora kosmicznego w międzynarodowych wydarzeniach targowych takich jak: International Astronautical Congress, Space Tech Expo Bremen, ESA Industry Space Days. Często wydarzenia te łączone są z misją gospodarczą (np. do Chile i Argentyny w 2022 r., czy Australii w 2023 r.). Podczas takich wydarzeń przedstawiciele krajowego sektora korzystają z powierzchni wystawienniczej POLSA, gdzie mają możliwość zaprezentowania swoich kompetencji potencjalnym partnerom z zagranicy oraz biorą udział w spotkaniach z zagranicznymi podmiotami rządowymi, czy agencjami kosmicznymi.

POLSA wspiera polskich przedsiębiorców oraz pracowników naukowo – badawczych działających w obszarze technik satelitarnych oraz technologii kosmicznych na arenie międzynarodowej poprzez organizację warsztatów i seminariów. Bardzo dużym zainteresowaniem cieszą się warsztaty prowadzone przez doświadczonych ekspertów ESA, dotyczące zasad ubiegania się o zamówienia – „How to write good proposals in response to an ESA Invitation to Tender for R&D activities”. W formacie hybrydowym organizowane są również seminaria i spotkania polskich i zagranicznych podmiotów sektora kosmicznego, mające na celu prezentację kompetencji oraz nawiązywanie kontaktów biznesowych. Przykładem tu może być webinar krajów V4 z maja 2023 r., podczas którego na zaproszenie POLSA o swoich success stories opowiedzieli przedstawiciele polskiego biznesu.

Współpraca międzynarodowa to także praca analityczna. Co roku POLSA opracowuje raport pn. „Ocena stanu rozwoju badań i użytkowania przestrzeni kosmicznej”. Dodatkowo powstają raporty i publikacje dotyczące trendów rozwoju krajowego sektora kosmicznego oraz sektorów kosmicznych innych państw, a także katalog podmiotów polskiego sektora kosmicznego (wydany w 2022 r. w 3 językach). Opracowania te dostępne są także na stronie internetowej POLSA w zakładce „Publikacje”.