С 2001 года Google приобрела много компаний, ориентируясь в основном на небольшие венчурные компании. В 2004 году Google приобрела Keyhole, Inc. Этот стартап разработал продукт под названием Earth Viewer, в котором были размещены спутниковые фотографии земной поверхности. Google переименовала сервис в «Google Планета Земля» в 2005 году. Два года спустя Google купила видеохостинг YouTube за 1,65 млрд долл. 13 апреля 2007 года Google приобрела одного из пионеров интернет-рекламы компанию DoubleClick за 3,1 млрд долл., что дало Google ценные связи, которые были у DoubleClick с веб-издателями и рекламными агентствами. Позднее в том же году Google приобрела GrandCentral за 50 млн долларов. Этот сервис стал основой для Google Voice. 5 августа 2009 года Google купила первую для себя публичную компанию — производителя программного обеспечения для видео On2 Technologies за 106,5 млн долларов. Google также приобрела социальную поисковую сеть Aardvark за 50 млн долларов. В апреле 2010 года Google приобрела стартап Agnilux.
В дополнение к многочисленным приобретённым компаниям, Google сотрудничала с другими организациями для самых разных целей: от исследований до рекламы. В 2005 году Google сотрудничала с Исследовательским центром Эймса (отделение НАСА) для постройки 93 тысяч м² офисов. Офисы были предназначены для исследовательских проектов, связанных с управлением данными больших объёмов, нанотехнологиями, распределёнными вычислениями и предпринимательской космической отраслью. В октябре 2005 года компания Google заключила партнёрское соглашение с Sun Microsystems. Кроме того, компания сотрудничала с AOL для взаимного улучшения сервисов поиска видео. В том же году Google наряду с другими компаниями, в том числе Microsoft, Nokia и Ericsson, также финансировала новый домен верхнего уровня .mobi. Google позже запустила Adsense для мобильных устройств, используя преимущества развивающегося рынка мобильной рекламы. В 2006 году Google и Fox Interactive Media подписали соглашение о предоставлении поиска и рекламы в социальной сети Myspace.
В 2008 году Google совместно с GeoEye запустила спутник для обеспечения Google Earth изображениями с высоким разрешением. Спутник был запущен с авиабазы Ванденберг 6 сентября 2008 года. В том же году Google в рамках партнёрства с журналом Life разместила у себя архив его фотографий. Некоторые из изображений в архиве никогда не публиковались в журнале.
В 2010 году Google Energy совершила свою первую инвестицию в проект освоения возобновляемых источников энергии, вложив 38,8 млн долл. в две ветровые электростанции в Северной Дакоте. Компания объявила, что они будут генерировать 169,5 мегаватт энергии, что достаточно для снабжения 55 тысяч домов. NextEra Energy Resources, разработавшая электростанции, продала Google 20 % доли в проекте, чтобы получить финансирование для его развития. Также, в 2010 году Google приобрела норвежскую компанию Global IP Solutions — разработчика сервиса веб-телеконференции. В том же году Google завершила сделку по приобретению сети мобильных объявлений AdMob. В июле 2010 года Google заключила соглашение с ветровой электростанцией Айовы о покупке 114 мегаватт энергии на 20 лет.
В августе 2011 года было объявлено о достижении соглашения о поглощении Google компании Motorola Mobility (одной из двух независимых компаний, образовавшихся при разделении Motorola), занимающейся выпуском мобильных телефонов. Стоимость сделки — 12,5 млрд долларов. 22 мая 2012 года сделка была завершена. Google приобрёл Motorola Mobility, сменив CEO.
В 2018 году компания Google приобрела часть компании HTC. Стоимость сделки — 1,1 млрд долларов. С момента заключения сделки более двух тысяч инженеров HTC будут разрабатывать гаджеты Google, включая смартфоны Google Pixel
