Разработка проекта Северо-Европейского газопровода (СЕГ), предназначенного для поставок российского газа в Европу по дну Балтийского моря, началась в конце 1990-х годов. В декабре 2000 года СЕГ получил статус "трансъевропейской сети". В ноябре 2002 года правление "Газпрома" приняло решение о начале практической реализации проекта.
8 сентября 2005 года в Берлине "Газпром" и немецкие компании Wintershall Holding GmbH (подразделение BASF AG) и E.On AG подписали соглашение о строительстве. Сообщалось, что инвестиции в трубопровод длиной 1224 км составят более €4 млрд. В ноябре в швейцарском кантоне Цуг зарегистрирована North European Gas Company (NEGP), доля "Газпрома" в которой составляла 51%, а немецких партнеров по 24,5%. 9 декабря у вологодского поселка Бабаево состоялась сварка первого стыка сухопутного участка СЕГ.
30 марта 2006 года комитет акционеров NEGP возглавил бывший канцлер ФРГ Герхард Шредер. В ноябре компания-оператор была переименована в Nord Stream AG, аналогичное название получил и газопровод. Тогда же был запущен процесс получения разрешений на прокладку труб от природоохранных органов балтийских стран. Против проекта выступали Польша, Латвия, Литва, Эстония и Швеция, считавшие, что он может обернуться экологической катастрофой. Однако за несколько лет "Газпром" получил все необходимые разрешения.
В марте 2008 года "Газпром" сообщил, что стоимость проекта увеличилась до €7,4 млрд. 20 июня в состав акционеров Nord Stream вошла голландская Gasunie, получившая 9% акций за счет сокращения долей немецких компаний до 20%.
9 апреля 2010 года в присутствии президента Дмитрия Медведева началась сварка труб подводной части газопровода. 19 июня к консорциуму присоединилась французская GDF Suez, получившая 9% акций. Доли Wintershall и E.On уменьшились до 15,5% у каждой.
В июне 2011 года завершилась прокладка первой нитки, соединившей балтийские берега России и Германии. 6 сентября состоялось торжественная церемония технологического запуска Nord Stream, в которой принял участие премьер-министр Владимир Путин.