Bush painotti henkilökohtaisen suhteen luomista Venäjän presidentti Vladimir Putinin kanssa varmistaakseen sopusointuiset suhteet Yhdysvaltojen ja Venäjän välillä. Putin ja presidentti Putin tapasivat kesäkuussa 2001, ja molemmat presidentit ilmaisivat olevansa optimistisia kahden entisen kylmän sodan kilpailijan välisen yhteistyön suhteen. 9/11-iskujen jälkeen Putin salli USA:n käyttää Venäjän ilmatilaa, ja Putin kannusti Keski-Aasian valtioita myöntämään tukikohtien oikeuksia USA:lle. Toukokuussa 2002 USA ja Venäjä allekirjoittivat Strategisen hyökkäysvähennyksen sopimuksen.
, jossa pyrittiin vähentämään molempien maiden ydinasevarastoja huomattavasti. Bushin ja Putinin väliset suhteet viilenivät Bushin toisen kauden aikana, kun Bush alkoi yhä kriittisemmin suhtautua Putinin poliittisten vastustajien tukahduttamiseen Venäjällä, ja ne laskivat uuteen alimpaan pisteeseen Venäjän ja Georgian sodan puhkeamisen jälkeen vuonna 2008.