国际社会迅速对美国退出巴黎气候协定作出反应。法国、德国和意大利三国政府发布联合声明称，他们对特朗普的决定感到遗憾，并称该协定“不能被重新谈判”。
法国、德国、意大利政府的联合声明称：我们认为2015年12月在巴黎产生的势头，是不可逆转的，我们坚定地相信巴黎气候协定不能够被重新谈判。因为这是我们的地球、社会和经济至关重要的工具。
联合国秘书长古特雷斯也通过发言人发布声明称，美国退出巴黎气候协定令人大失所望。但古特雷斯仍然相信美国的城市、州和企业以及其他国家，将继续展示愿景和领导力，为低碳、有弹性的经济增长而努力，这样的增长将为21世纪繁荣创造高质量的工作和市场。
美国加州洛杉矶市长贾西提（Eric Garcetti）当日宣布，他与其他68位美国市长将继续采用巴黎气候协定目标。他表示，特朗普否认现实，但我们不会。他呼吁美国其他地方的行政首长加入由这68位市长发起的“气候市长”联盟，支持美国各地自主履行对巴黎气候协定的承诺。目前，这68名市长共代表了3800万美国人民。
贾西提是“气候市长”项目的联合创立人之一，该项目的正式名称为“市长全国气候行动计划”（Mayors National Climate Action Agenda）。与贾西提一起签署承诺采用、尊重和维护巴黎气候协定声明的美国市长包括：纽约市长白思豪（Bill de Blasio）、波士顿市长沃尔什（Martin J Walsh）、休斯顿市长特纳（Sylvester Turner）、芝加哥市长伊曼纽尔（Rahm Emanuel）、西雅图市长穆雷（Ed Murray）、亚特兰大市长里德（Kasim Reed）、华盛顿特区市长鲍赛（Muriel Bowser）等。
联合国气候变化框架公约（UNFCCC）秘书处发布声明称，注意到美国对重新谈判参与协定形式的意图。就这一点而言，秘书处随时准备与美国政府就该声明的含义进行对话。联合国气候变化框架公约（UNFCCC）秘书处强调，“巴黎协定是由194个国家签署、147个国家批准的历史性条约。因此不能基于单独一方的要求而重新谈判。”
世界资源研究所主席兼CEO斯蒂尔（Andrew Steer）发表声明指出，特朗普的决定是基于上世纪对经济的思考方式，并将使美国回到上世纪的经济。“这反应出对美国企业智慧的严重低估，并将拖累企业对21世纪新经济做出反应的能力。” 斯蒂尔认为，实际上，美国有世界上最活跃的企业家精神，应该处于领头羊位置。美国抛弃巴黎气候协定，将失去低碳未来带来的新工作和经济机遇。
斯蒂尔指出，退出巴黎气候协定将导致美国在外交上漫无目的，与近200个国家相左。已经有194个国家联合起来，下定决心抗击气候变化；而不加入协定的三个国家─叙利亚、尼加拉瓜和美国，则将站在世界各国的另外一边。
斯蒂尔将这个决定形容为“巨大错误”，称其显示出对人类和地球福祉令人惊叹的漠视。“现在，特朗普总统必须为放弃一个历经了最艰辛过程，且获得欢迎的全球成果而负责。”
德国联邦环境部长亨德里克斯（Barbara Hendricks）发布声明表示，美国退出协定对国际多边合作造成的伤害，甚至比对国际气候行动造成的伤害更加严重。她说，巴黎气候变化协定的独特之处，在于它展现了全球共同努力的决心，来解决我们这个时代最严重的全球问题之一。特朗普政府现在宣布美国退出这个联合项目、退出该协定，是抛弃了美国前瞻性发展的宝贵机遇。“最重要的是，这个决定伤害了美国自己”。
小布什时期的美国财长保尔森（Henry Paulson）表示，他对美国退出巴黎协定感到“吃惊”和“失望”，“美国留下了一个空档让别人去填补”。欧盟委员会主席荣克（Jean-Claude Juncker）宣布，欧洲准备好在美国缺席的情况下，担任全球气候问题的领袖。“这个产生的真空必须被填补，欧洲渴望在整个过程中发挥自然的领导力。”
德国时间6月1日上午，中国国务院总理李克强在与德国总理默克尔共同会见记者时表示，应对气候变化是全世界的呼声与共识。中国一直积极参与、推动并签署了《巴黎协定》，是最早通过立法程序认定《巴黎协定》的国家之一，也是最早向联合国提交应对气候变化国别方案的国家之一。李克强说，“这不仅是我们作为发展中大国承担的国际责任，也是中国转变发展方式的内在需求。中方将继续履行承诺，努力走绿色、低碳、可持续发展之路，与各国携手向实现2030年可持续发展议程的目标扎实迈进。”
中欧峰会6月1日至2日在布鲁塞尔召开，欧洲理事会主席图斯克（Donald Tusk）和欧盟委员会主席荣克（Jean-Claude Juncker）代表欧盟出席该峰会，中国国务院总理李克强已抵达布鲁塞尔代表中国参会。预计中国和欧盟将在中欧峰会上，通过发表一份共同声明，进一步承诺加深彼此在巴黎协定上的合作，并推动中欧清洁能源技术的发展