Подготовительные работы по строительству морского участка по дну Балтийского моря начались в 1997 году. Тогда же были проведены научные исследования, на основании которых определен примерный маршрут газопровода. В 2000 году решением комиссии Евросоюза по энергетике и транспорту проекту присвоен статус ТЕМ – транспортно-европейской сети. Строительство газопровода началось в январе 2010 года возведением компрессорной станции на российском берегу. Ее мощность позволяет не создавать подобные станции в Германии.
9 апреля 2010 года начался морской этап строительства. В торжественной церемонии по данному случаю под русским городом Выборгом участвовали президент России Дмитрий Медведев, Федеральный канцлер Германии Ангела Меркель, премьер-министр Нидерландов Ян Балкененда, другие высокопоставленные, официальные лица. Прокладка началась в шведской исключительной экономической зоне, в районе острова Готлиб, примерно посредине магистрального маршрута. 3 июля 2010 года первая ветка была выведена на немецкий берег, 28 июля того же года – на российский берег. Первая нитка газопровода введена в эксплуатацию 8 ноября 2011 года. Реализация проекта проходила далеко не гладко.
Сразу после заключения соглашения президент Польши назвал подписанный пакт Путина – Шредера плохим с точки зрения экологии и слабым с экономической и политической точек зрения. Польский сейм принял заявление, в котором говорится, что германско-российское соглашение о строительстве газопровода угрожает безопасности и независимости Польши. Правительство выступило против проекта, а лидер польской партии «Закон и справедливость» Ярослав Качиньский объявил себя врагом «Северного потока». Представители правительства Польши заявляли, что строительство газопровода по суше, через территорию республики и обойдется дешевле, и не увеличит долю российского газа в общем импорте Европы. Также правительство Польши утвердило свои права на воды южнее острова Борнхольм, надеясь помешать реализации проекта, однако был выбран маршрут севернее острова. Еще в начале 2006 года министр обороны Польши Радек Сикорски сравнил соглашение по Североевропейскому газопроводу с пактом Молотова – Риббентропа, вызвав тем самым возмущение в Германии и России. Затруднительным оказалось решение польско-немецкого вопроса о залегании магистральной трубы в судоходных районах близ портов Щецина и Свиноуйсце. Стороны не могли прийти к одному мнению до начала морского этапа строительства и продолжали периодические дискуссии. Польша выражала беспокойство по поводу глубины фарватера, уменьшавшейся в местах пересечения газопровода и судоходных путей. Претензии предъявлялись к Германии. Немцы, с одной стороны, признавали, что труба уменьшит судоходные глубины, но с другой стороны, заявляли, что газопровод не помешает прохождению судов даже с большой осадкой.
Позднее выяснилось, что критика со стороны Польши была выдвинута главным образом из-за опасения возможности прекращения поставок потока российского газа по наземному маршруту Ямал – Европа после ввода в строй «Северного потока». После прояснения ситуации и заявлений России о готовности увеличить поставки газа в Польшу и продлить договор о сотрудничестве до 2037 года президент Дональд Тусл заявил, что «Северный поток» перестает быть опасным для Польши.
Против строительства Северо-Европейского газопровода выступили и все три балтийские республики бывшего Советского Союза – Литва, Латвия и Эстония. Представители прибалтийских республик приписывали проекту Северо-Европейского газопровода политические аспекты. Депутат Европарламента от Литвы указал, что строительство преследует цель изменения политической карты Европы. Но уже в июне 2008 года на саммите стран Балтийского моря представители Литвы, Латвии и Эстонии заявили о том, что у них нет возражений против проекта. Некоторые противники газопровода высказали мнение, что при помощи «Северного потока» Россия будет осуществлять шпионаж за странами Балтийского моря. Утверждали, что построенная на острове Готланд компрессорная станция может