從2001年到2008年的第三階段，美俄關系逐漸向戰(zhàn)略博弈回歸。影響美俄關系的核心內容并沒有因為普京總統(tǒng)接掌俄羅斯和小布什當選美國總統(tǒng)發(fā)生根本轉變。1999年北約空襲南聯盟，吸收波蘭、匈牙利和捷克加入北約，美國抨擊俄羅斯在車臣進行的戰(zhàn)爭等事態(tài)，導致美俄關系在進入普京時代的那一刻即面臨諸多挑戰(zhàn)。小布什總統(tǒng)延續(xù)了對俄羅斯的強硬態(tài)度，小布什政府在導彈防御系統(tǒng)問題上的政策姿態(tài)、接見車臣代表團、因間諜案驅逐俄羅斯外交人員等舉動讓人很難期待美俄關系會有顯著好轉。?如果沒有9·11恐怖主義襲擊，美俄關系可能會加速回落。

9·11事件為美俄關系轉暖提供了機遇，這部分源于俄羅斯在恐怖襲擊之后的反應。9·11事件后，普京致電小布什總統(tǒng)，表達對恐怖行動的譴責和對美國反恐行動的支持，并承諾與美國分享反恐相關情報，為美國打擊恐怖組織開辟空中走廊，協調中亞國家與美國的合作，撤出在古巴的監(jiān)測站和在越南的海軍基地。美俄關系轉圜的另一部分原因則是小布什政府的外交安全戰(zhàn)略重心快速轉向反恐，緩和美俄關系符合美國利益。2011年11月中旬，普京訪問美國，這是美俄關系的階段性高點。小布什總統(tǒng)盛贊俄羅斯在反恐問題上提供的支持與合作，并宣稱：“我們正將美俄關系從敵對和猜忌轉向合作和互信，這將為兩國人民和世界人民增加和平與進步的機遇”，美俄“正在締造歷史”。?美俄之間再度洋溢著樂觀的情緒，期待未來更大的合作。峰會期間，美俄討論了反恐、阿富汗重建、中東問題、防擴散問題、核裁軍問題、導彈防御問題和北約與俄羅斯的關系。雖然美俄在諸多議題上展示了合作姿態(tài)，但導彈防御問題與北約東擴問題上的分歧并沒有緩解跡象，?這導致“溫熱”的美俄關系難以持久。

美俄在戰(zhàn)略議題上展開了有限的合作，導彈防御問題上的持續(xù)困擾成為界定美俄關系未來的關鍵。2000年4月，經過長時間的延遲與各種事態(tài)的掛鉤，俄羅斯杜馬最終批準了《第二階段削減戰(zhàn)略武器條約》，這份條約在簽署6年后最終生效。美俄首腦2001年11月峰會期間，雙方就進一步裁減核武器達成了基本共識，隨后的條約談判進展迅速。2002年5月24日，美俄簽署了《削減進攻性戰(zhàn)略武器條約》（又稱《莫斯科條約》），該條約除了將美俄雙方的核彈頭限制在1700～2200枚，其余條款則極為簡潔。無論從談判時間長度、條約文本篇幅，還是對各自核力量的限定程度，《莫斯科條約》均與既往核裁軍條約的嚴肅程度相去甚遠。?因此，此次美俄核裁軍的象征意義遠大于實際價值。

小布什政府在導彈防御問題上的強硬姿態(tài)和實際政策深刻影響美俄在戰(zhàn)略議題上的騰挪空間和美俄關系改善的幅度。雖然美俄曾經就《反導條約》修改問題進行了多輪對話磋商，但因分歧較大，問題始終沒有得到解決。2001年12月13日，小布什總統(tǒng)宣布美國將退出《反導條約》，這為美國研發(fā)、部署導彈防御系統(tǒng)掃清了障礙，同時推高美俄在戰(zhàn)略議題上的對抗和博弈。2002年6月，美國退出條約的決定正式生效。為了應對美國退約，俄羅斯隨即宣布退出《第二階段削減戰(zhàn)略武器條約》。退出《反導條約》后，小布什政府的導彈攔截試驗不再受到約束。不僅如此，小布什政府開始在2002年底宣布加快在美國本土部署導彈防御系統(tǒng)，到2004年7月，美國開始在阿拉斯加的格里利堡部署攔截彈，美國另外的一處導彈攔截系統(tǒng)部署在加利福尼亞的范登堡空軍基地。到小布什政府末期，美國已經在本土部署了數量有限的攔截彈。美國在本土的導彈防御系統(tǒng)部署遭到俄羅斯反對，小布什政府試圖在歐洲部署導彈防御系統(tǒng)則遭致俄羅斯的激烈反擊。從2002年起，美國就開始與波蘭和其他歐洲國家討論在歐洲部署導彈防御系統(tǒng)以應對所謂伊朗導彈威脅的可行性。2007年2月，美國和波蘭、捷克正式談判建設導彈防御能力的問題，初始計劃是在波蘭部署10枚攔截彈，在捷克部署配套的雷達。俄羅斯表示將采取軍事手段回擊美國在東歐可能的導彈防御能力建設，甚至威脅這將導致類似冷戰(zhàn)時期的軍備競賽。

美俄有關反恐的良好合作也沒能持續(xù)太久。俄羅斯對美國在阿富汗的反恐戰(zhàn)爭提供了必要的支持，并就阿富汗的戰(zhàn)后重建與美國協調立場。美國在阿富汗的軍事行動結束后，開始考慮攻打伊拉克，這遭致俄羅斯的強烈反對。伊拉克戰(zhàn)爭沖擊了俄羅斯在中東地區(qū)的地緣戰(zhàn)略利益，損害了俄羅斯同伊拉克及其他中東國家之間的經濟利益，讓俄羅斯意識到從1999年的科索沃戰(zhàn)爭到2001年的阿富汗戰(zhàn)爭，再到2003年的伊拉克戰(zhàn)爭，美國在不斷擠壓俄羅斯的地緣戰(zhàn)略空間。

北約東擴依然是美俄關系第三階段的重要爭議點。雖然俄羅斯強烈反對，但北約東擴的步伐沒有停止。2001年11月，普京訪美期間曾就北約與俄羅斯的關系表示，俄羅斯認為存在這樣的機會，即在安全和穩(wěn)定領域建立全新的聯合決策和協調行動的機制，暗示希望北約進行改造，在性質上由一個軍事組織演變?yōu)檎谓M織；在北約事務上給予俄羅斯以否決權；把俄羅斯作為一個真正平等的伙伴等。2001年12月，北約—俄羅斯常設理事會外長會議決定北約與俄羅斯建立一個新的合作機制，內容包括磋商、合作、共同決策以及協調和聯合行動等。次年5月，北約與俄羅斯成立北約—俄羅斯理事會，但俄羅斯在這一機制中并沒有決定權。完成這些形式上滿足俄羅斯的動作后，北約開始第二輪東擴。2002年11月，北約首腦會議達成了第二輪東擴決定，兩年后保加利亞、羅馬尼亞、斯洛文尼亞、斯洛伐克、愛沙尼亞、立陶宛、拉脫維亞加入北約。在小布什任期末，北約進行又一次東擴，將克羅地亞和阿爾巴尼亞納入北約。美國曾經力挺烏克蘭和格魯吉亞加入北約，但因各國在此問題上意見不一，加之俄羅斯強烈反對，兩國未能加入。

美國對俄羅斯處理周邊領土爭議的批評和同期出現的顏色革命導致美俄關系更加復雜化。冷戰(zhàn)結束初期，車臣問題曾經困擾美俄關系，但美國的反應比較克制。1999年車臣戰(zhàn)爭再度爆發(fā)，俄羅斯到2000年控制絕大部分車臣土地。美國開始在車臣問題上批評俄羅斯，俄羅斯處理車臣問題的方式損害了其國際形象，并導致獨聯體國家積極發(fā)展與西方國家的關系。2001年到2008年期間，獨聯體國家和中亞地區(qū)出現了多個國家的以顏色命名、以和平方式進行的政權變更運動，并在塞爾維亞、格魯吉亞、烏克蘭和吉爾吉斯斯坦等幾個國家取得成功，親俄羅斯的政府被推翻，建立了親美的民選政府。顏色革命的成功與美國政府的公開支持以及小布什政府擴展民主的戰(zhàn)略關系密切，這導致俄羅斯高度警惕美國的戰(zhàn)略意圖。2008年8月，俄羅斯和格魯吉亞因為爭奪南奧塞梯發(fā)生戰(zhàn)爭，并很快擊敗格魯吉亞，南奧塞梯和阿布哈茲在俄羅斯支持下宣布獨立。俄格戰(zhàn)爭之后，小布什執(zhí)政臨近結束，美俄關系進入冰點。

2009年到2016年是美俄關系的第四個階段，雙邊關系從“舊”冷戰(zhàn)走向“新”冷戰(zhàn)。美俄關系在這一時期的發(fā)展基本上是前幾個階段的循環(huán)。奧巴馬就任總統(tǒng)后，美國嘗試主動改善美俄關系。2009年3月，美國國務卿希拉里在日內瓦將一枚標注“重啟”字樣的紅色按鈕交給俄羅斯外長拉夫羅夫，寓意美俄重啟雙邊關系。從2009年到2014年，美俄關系曾經呈現較為積極的勢頭，兩國在多個領域展開了多項合作。在戰(zhàn)略議題上，奧巴馬總統(tǒng)于2009年9月宣布改變小布什政府在歐洲部署導彈防御系統(tǒng)的計劃，兩國在次年4月簽署新的削減戰(zhàn)略武器條約，將兩國部署的戰(zhàn)略核彈頭數量從2200枚降至1550枚，并對運載工具做了限制。俄羅斯同樣以較為積極的姿態(tài)呼應了奧巴馬總統(tǒng)的無核世界倡議，并參加了美國倡導的“核安全峰會”。在反恐問題上，俄羅斯宣布開放俄羅斯通向阿富汗的空域，允許美軍補給進入阿富汗。在地區(qū)安全問題上，美俄之間的合作也有所推進，包括俄羅斯支持對伊朗發(fā)展核項目在聯合國安理會通過決議施加制裁，美國則取消了針對俄羅斯對伊朗出口軍火進行的制裁。