Am 12. November 1955 zogen die ersten Heeres-Soldaten der neugegründeten Bundeswehr in die Krahnenberg-Kaserne in Andernach ein. Die Bundeswehr hat seitdem wichtige Standorte in Rheinland-Pfalz. So war Koblenz bis Ende der 1980er Jahre die größte Garnisonsstadt Deutschlands. Trotz der Schließung einiger Kasernen verblieben hier weiterhin viele zentrale militärische und zivile Einrichtungen. In Koblenz befinden sich das Bundesamt für Wehrtechnik und Beschaffung, das IT-Amt der Bundeswehr, das Zentrum Innere Führung, das Heeresführungskommando, das Sanitätsführungskommando und das Bundeswehrzentralkrankenhaus. Die Luftwaffe hat das „Kommando 2. Luftwaffendivision“ in Birkenfeld und das „Jagdbombergeschwader 33“ im Fliegerhorst Büchel stationiert. Aus dem Zentrum Operative Information in Mayen wird der Truppenbetreuungssender der Bundeswehr „Radio Andernach“ gesendet.
Eine bedeutende Rolle in der Entwicklung des Landes spielen seit den 1950er-Jahren ausländische Streitkräfte. Rheinland-Pfalz galt in der NATO als wichtigster regionaler Militärstandort der alliierten Luftverteidigung. Der Kommandobunker Börfink im Hunsrück etwa diente der Luftüberwachung Mitteleuropas im Kalten Krieg. Ebenfalls im Hunsrück befand sich bis Ende der 1980er die Atomraketenbasis Pydna. Besonders die US-Streitkräfte waren und sind präsent. Bis zu 69.000 US-Soldaten waren im Kalten Krieg in Rheinland-Pfalz stationiert. Bis Juni 2006 schrumpfte ihre Zahl auf 27.200. Noch heute unterhalten die USA mit der Ramstein Air Base und der Spangdahlem Air Base zwei wichtige Luftwaffenstützpunkte, deren Bedeutung nach Schließung der Rhein-Main Air Base in Frankfurt am Main weiter erheblich steigen wird. Die US-Luftwaffe nutzt Ramstein, den größten Nato-Flughafen in Europa, hauptsächlich als Drehscheibe für Fracht- und Truppentransporte für die Regionen Europa, Afrika und Naher Osten sowie als Ziel von Evakuierungsflügen, da sich im nahen Landstuhl das größte US-amerikanische Krankenhaus (Landstuhl Regional Medical Center) außerhalb der USA befindet. Das US-Militär besitzt in der Nähe von Miesau das größte Munitionsdepot in Deutschland. In Anlehnung an die zahlreichen in Rheinland-Pfalz stationierten Militärflugzeuge wird das Land auch „Flugzeugträger Rheinland-Pfalz“ genannt. Außerdem ist Baumholder die größte amerikanische Garnisionsstadt in Deutschland, hier befindet sich unter anderem das Hauptquartier der 2. Brigade der 1. US-Panzerdivision.
Die USA und Großbritannien lagerten während des Kalten Krieges bis zu 5.000 Kernwaffen in deutschen Bunkern. Heute existieren in Deutschland noch 150 Atombomben in den Bunkern der Luftwaffenstützpunkte Ramstein (130) und Büchel (20); hier besteht die so genannte Nukleare Teilhabe. Nur in Büchel trainiert die Deutsche Luftwaffe weiterhin den nuklearen Einsatz durch Jagdbomber vom Typ Tornado.