从2001年到2008年的第三阶段，美俄关系逐渐向战略博弈回归。影响美俄关系的核心内容并没有因为普京总统接掌俄罗斯和小布什当选美国总统发生根本转变。1999年北约空袭南联盟，吸收波兰、匈牙利和捷克加入北约，美国抨击俄罗斯在车臣进行的战争等事态，导致美俄关系在进入普京时代的那一刻即面临诸多挑战。小布什总统延续了对俄罗斯的强硬态度，小布什政府在导弹防御系统问题上的政策姿态、接见车臣代表团、因间谍案驱逐俄罗斯外交人员等举动让人很难期待美俄关系会有显著好转。⑰如果没有9·11恐怖主义袭击，美俄关系可能会加速回落。
9·11事件为美俄关系转暖提供了机遇，这部分源于俄罗斯在恐怖袭击之后的反应。9·11事件后，普京致电小布什总统，表达对恐怖行动的谴责和对美国反恐行动的支持，并承诺与美国分享反恐相关情报，为美国打击恐怖组织开辟空中走廊，协调中亚国家与美国的合作，撤出在古巴的监测站和在越南的海军基地。美俄关系转圜的另一部分原因则是小布什政府的外交安全战略重心快速转向反恐，缓和美俄关系符合美国利益。2011年11月中旬，普京访问美国，这是美俄关系的阶段性高点。小布什总统盛赞俄罗斯在反恐问题上提供的支持与合作，并宣称：“我们正将美俄关系从敌对和猜忌转向合作和互信，这将为两国人民和世界人民增加和平与进步的机遇”，美俄“正在缔造历史”。⑱美俄之间再度洋溢着乐观的情绪，期待未来更大的合作。峰会期间，美俄讨论了反恐、阿富汗重建、中东问题、防扩散问题、核裁军问题、导弹防御问题和北约与俄罗斯的关系。虽然美俄在诸多议题上展示了合作姿态，但导弹防御问题与北约东扩问题上的分歧并没有缓解迹象，⑲这导致“温热”的美俄关系难以持久。
美俄在战略议题上展开了有限的合作，导弹防御问题上的持续困扰成为界定美俄关系未来的关键。2000年4月，经过长时间的延迟与各种事态的挂钩，俄罗斯杜马最终批准了《第二阶段削减战略武器条约》，这份条约在签署6年后最终生效。美俄首脑2001年11月峰会期间，双方就进一步裁减核武器达成了基本共识，随后的条约谈判进展迅速。2002年5月24日，美俄签署了《削减进攻性战略武器条约》（又称《莫斯科条约》），该条约除了将美俄双方的核弹头限制在1700～2200枚，其余条款则极为简洁。无论从谈判时间长度、条约文本篇幅，还是对各自核力量的限定程度，《莫斯科条约》均与既往核裁军条约的严肃程度相去甚远。⑳因此，此次美俄核裁军的象征意义远大于实际价值。
小布什政府在导弹防御问题上的强硬姿态和实际政策深刻影响美俄在战略议题上的腾挪空间和美俄关系改善的幅度。虽然美俄曾经就《反导条约》修改问题进行了多轮对话磋商，但因分歧较大，问题始终没有得到解决。2001年12月13日，小布什总统宣布美国将退出《反导条约》，这为美国研发、部署导弹防御系统扫清了障碍，同时推高美俄在战略议题上的对抗和博弈。2002年6月，美国退出条约的决定正式生效。为了应对美国退约，俄罗斯随即宣布退出《第二阶段削减战略武器条约》。退出《反导条约》后，小布什政府的导弹拦截试验不再受到约束。不仅如此，小布什政府开始在2002年底宣布加快在美国本土部署导弹防御系统，到2004年7月，美国开始在阿拉斯加的格里利堡部署拦截弹，美国另外的一处导弹拦截系统部署在加利福尼亚的范登堡空军基地。到小布什政府末期，美国已经在本土部署了数量有限的拦截弹。美国在本土的导弹防御系统部署遭到俄罗斯反对，小布什政府试图在欧洲部署导弹防御系统则遭致俄罗斯的激烈反击。从2002年起，美国就开始与波兰和其他欧洲国家讨论在欧洲部署导弹防御系统以应对所谓伊朗导弹威胁的可行性。2007年2月，美国和波兰、捷克正式谈判建设导弹防御能力的问题，初始计划是在波兰部署10枚拦截弹，在捷克部署配套的雷达。俄罗斯表示将采取军事手段回击美国在东欧可能的导弹防御能力建设，甚至威胁这将导致类似冷战时期的军备竞赛。
美俄有关反恐的良好合作也没能持续太久。俄罗斯对美国在阿富汗的反恐战争提供了必要的支持，并就阿富汗的战后重建与美国协调立场。美国在阿富汗的军事行动结束后，开始考虑攻打伊拉克，这遭致俄罗斯的强烈反对。伊拉克战争冲击了俄罗斯在中东地区的地缘战略利益，损害了俄罗斯同伊拉克及其他中东国家之间的经济利益，让俄罗斯意识到从1999年的科索沃战争到2001年的阿富汗战争，再到2003年的伊拉克战争，美国在不断挤压俄罗斯的地缘战略空间。
北约东扩依然是美俄关系第三阶段的重要争议点。虽然俄罗斯强烈反对，但北约东扩的步伐没有停止。2001年11月，普京访美期间曾就北约与俄罗斯的关系表示，俄罗斯认为存在这样的机会，即在安全和稳定领域建立全新的联合决策和协调行动的机制，暗示希望北约进行改造，在性质上由一个军事组织演变为政治组织；在北约事务上给予俄罗斯以否决权；把俄罗斯作为一个真正平等的伙伴等。2001年12月，北约—俄罗斯常设理事会外长会议决定北约与俄罗斯建立一个新的合作机制，内容包括磋商、合作、共同决策以及协调和联合行动等。次年5月，北约与俄罗斯成立北约—俄罗斯理事会，但俄罗斯在这一机制中并没有决定权。完成这些形式上满足俄罗斯的动作后，北约开始第二轮东扩。2002年11月，北约首脑会议达成了第二轮东扩决定，两年后保加利亚、罗马尼亚、斯洛文尼亚、斯洛伐克、爱沙尼亚、立陶宛、拉脱维亚加入北约。在小布什任期末，北约进行又一次东扩，将克罗地亚和阿尔巴尼亚纳入北约。美国曾经力挺乌克兰和格鲁吉亚加入北约，但因各国在此问题上意见不一，加之俄罗斯强烈反对，两国未能加入。
美国对俄罗斯处理周边领土争议的批评和同期出现的颜色革命导致美俄关系更加复杂化。冷战结束初期，车臣问题曾经困扰美俄关系，但美国的反应比较克制。1999年车臣战争再度爆发，俄罗斯到2000年控制绝大部分车臣土地。美国开始在车臣问题上批评俄罗斯，俄罗斯处理车臣问题的方式损害了其国际形象，并导致独联体国家积极发展与西方国家的关系。2001年到2008年期间，独联体国家和中亚地区出现了多个国家的以颜色命名、以和平方式进行的政权变更运动，并在塞尔维亚、格鲁吉亚、乌克兰和吉尔吉斯斯坦等几个国家取得成功，亲俄罗斯的政府被推翻，建立了亲美的民选政府。颜色革命的成功与美国政府的公开支持以及小布什政府扩展民主的战略关系密切，这导致俄罗斯高度警惕美国的战略意图。2008年8月，俄罗斯和格鲁吉亚因为争夺南奥塞梯发生战争，并很快击败格鲁吉亚，南奥塞梯和阿布哈兹在俄罗斯支持下宣布独立。俄格战争之后，小布什执政临近结束，美俄关系进入冰点。
2009年到2016年是美俄关系的第四个阶段，双边关系从“旧”冷战走向“新”冷战。美俄关系在这一时期的发展基本上是前几个阶段的循环。奥巴马就任总统后，美国尝试主动改善美俄关系。2009年3月，美国国务卿希拉里在日内瓦将一枚标注“重启”字样的红色按钮交给俄罗斯外长拉夫罗夫，寓意美俄重启双边关系。从2009年到2014年，美俄关系曾经呈现较为积极的势头，两国在多个领域展开了多项合作。在战略议题上，奥巴马总统于2009年9月宣布改变小布什政府在欧洲部署导弹防御系统的计划，两国在次年4月签署新的削减战略武器条约，将两国部署的战略核弹头数量从2200枚降至1550枚，并对运载工具做了限制。俄罗斯同样以较为积极的姿态呼应了奥巴马总统的无核世界倡议，并参加了美国倡导的“核安全峰会”。在反恐问题上，俄罗斯宣布开放俄罗斯通向阿富汗的空域，允许美军补给进入阿富汗。在地区安全问题上，美俄之间的合作也有所推进，包括俄罗斯支持对伊朗发展核项目在联合国安理会通过决议施加制裁，美国则取消了针对俄罗斯对伊朗出口军火进行的制裁。
