Den store østudvidelse i 2004 er en milepæl i EU's historie: 10 nye lande fra Central- og Østeuropa slutter sig til EU's 15 gamle medlemslande fra Vest- og Sydeuropa. Nicetraktaten fra 2001 skal forberede EU på udvidelsen gennem institutionelle reformer, som er nødvendige for, at EU kan fungere efter optagelsen af nye medlemslande. Brugen af kvalificeret flertal i Ministerrådet og antallet af kommissærer justeres, så hvert medlemsland får en kommissær hver - tidligere har de store medlemslande beklædt to kommissærposter.
Samme år bliver EU's stats- og regeringschefer i juni måned enige om en ny traktat - forfatningstraktaten. Den sammenskriver alle de gældende traktater i EU-samarbejdet til en traktat, gennemfører en række institutionelle reformer og giver EU nogle officielle symboler såsom en hymne og et flag.
Forfatningstraktaten bliver afvist ved folkeafstemninger i Frankrig og Holland i juni 2005, og ratifikationsprocessen går dermed i stå. Den planlagte danske folkeafstemning om forfatningstraktaten udskydes efter EU-topmødet den 16.-17. juni 2005.
Det Europæiske Råd vedtager i 2005 en erklæring om ratificering af forfatningstraktaten, hvori stats- og regeringscheferne opfordrer til en tænkepause med en bred debat i de enkelte lande. Tænkepausen skal bruges til at debattere EU i de enkelte medlemslande såvel som på europæisk plan. Forfatningstraktaten bliver derfor aldrig sendt til folkesafstemning i Danmark. Selvom Forfatningstraktaten altså aldrig blev vedtaget, kom den til at danne fundamentet for den senere Lissabontraktat fra 2007.
Optagelsen af lande fra øst fortsætter i 2007, hvor Rumænien og Bulgarien bliver medlemmer af EU. I 2013 bliver Kroatien optaget i det europæiske samarbejde.