L'École participe à des programmes internationaux en partenariat avec d'autres établissements français.En 2002, le Groupe des quatre Écoles normales supérieures inaugure à Shanghai une antenne basée à l'ECNU (Université normale de Chine de l'Est), ouverte aux autres universités de la région. Un accord de coopération pour la création d'un programme de formation master-doctorat a permis l'organisation sur place d'une série de cours donnés par des professeurs des ENS à des étudiants chinois sélectionnés et l'invitation en France de certain d'entre eux pour la préparation d'une thèse en cotutelle.
En partenariat avec trois écoles d'ingénieurs et la société Dassault Systèmes, l'ENS Cachan fait également partie des membres actifs du Centre PLM ouvert à l'université Tsinghua à Pékin.
Aux côtés d'autres partenaires d'Ile-de-France (
PRES Universud Paris), l'École s'inscrit aussi dans un programme ARCUS au Vietnam, après avoir participé à deux autres programmes ARCUS en Inde et au Brésil.
Suite à des collaborations de plus de 20 ans avec des établissements brésiliens, l'ENS Cachan a inauguré en 2012 le Collège universitaire franco-brésilien Santos Dumont. Nos liens forts avec le CNRS se poursuivent aussi sur le plan international. Nos laboratoires sont impliqués dans plusieurs groupements de recherche européen ou international (GDRE/I), et des enseignants/chercheurs de l'ENS Cachan coordonnent des laboratoires internationaux ou européens associés (LIA/LEA):
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LEA NaBi en partenariat avec Israël.
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LIA informel en partenariat avec l'Inde.
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LIA LIADOV en partenariat avec la Russie.