Relatia Romaniei cu Republica Moldova in timpul mandatului lui Traian Basescu a evoluat de la o aparenta deschidere intre cele doua tari in anul 2005 spre o deteriorare accentuata pana la finele lui 2008 si chiar o inghetare in 2009, cel putin pana la infrangerea in alegeri a regimului Voronin. In tot acest timp insa, Romania a sustinut ca locul Moldovei este in Uniunea Europeana. Prima vizita oficiala a sefului statului a fost la Chisinau (21 ianuarie 2005), ocazie cu care a parut ca relatiile bilaterale, care intrasera intr-un regres, pot fi reluate si dezvoltate, in paralel cu deteriorarea relatiilor Republicii Moldova cu Federatia Rusa. Vladimir Voronin chiar i-a trimis, in raspuns, "fratelui" sau de peste Prut 11.000 de sticle de vin.
Basescu declara, in iulie 2006, la dejunul oferit elevilor olimpici la istorie din Republica Moldova, ca Romania a oferit tarii vecine varianta de a intra impreuna in UE si ca, desi am ramas singurul popor inca separat, reintregirea se va realiza in interiorul UE. "Este, insa, optiunea autoritatilor de la Chisinau si a poporului Republicii Moldova ce ar trebui sa faca", declara Basescu. In replica, Voronin a declarat, cu ocazia bilantului anului politic 2006, ca Romania nu a propus oficial Republicii Moldova sa adere impreuna la UE, dar a evitat sa nege ca ar fi avut loc discutii pe aceasta tema.
Basescu si Voronin s-au mai intalnit la Chisinau la 16 ianuarie 2007, cand au hotarat crearea a doua consulate romanesti temporare in Republica Moldova in orasele Balti si Cahul. Referindu-se la problema vizelor pentru cetatenii moldoveni care vor sa calatoreasca in Romania, Vladimir Voronin a declarat ca"situatia nu este normala si trebuie deblocata". "In legatura cu solicitarea de cetatenie am convenit, impreuna cu presedintele Voronin, ca romanii si moldovenii au dreptul la optiuni mai ales ca cele doua state aproba, prin Constitutie, dubla cetatenie", spunea Basescu.
Presedintele Basescu fusese intampinat la Chisinau, atat la Presedintie, cat si la sectia consulara si la Ambasada Romaniei, de grupuri de cetateni moldoveni pe care i-a asigurat de rezolvarea problemelor legate de acordarea vizelor si de cetatenia romana. El a sustinut simplificarea acordarii cetateniei romane pentru cei care au pierdut-o in contexte politice, si pentru familiile acestora. Demersurile legislative au fost finalizate, coincidenta sau nu, abia in 2009, in timpul campaniei pentru prezidentialele de la Bucuresti. Relatiile au inceput insa sa se degradeze, Voronin acuzand Romania ca incearca sa elimine fosta republica sovietica prin umilirea limbii si culturii acesteia si prin oferirea de cetatenie romana in masa moldovenilor. El preciza ca relatiile cu Rusia, afectate de acuzatiile potrivit carora Kremlinul a sustinut rebeliunea de durata din estul Republicii Moldova, s-au imbunatatit, ceea ce inseamna ca perspectivele de rezolvare a conflictului din regiunea transnistreana s-au imbunatatit.
Autoritatile de la Chisinau au anuntat, in decembrie 2007, ca doi diplomati ai ambasadei Romaniei au fost declarati persona non grata pentru incompatibilitatea activitatii lor cu statutul diplomatic detinut, acestia trebuind sa paraseasca tara in 24 de ore. In replica, presedintele Basescu le-a propus prim-ministrului Calin Popescu Tariceanu si ministrului de Externe Adrian Cioroianu sa nu expulzeze diplomati moldoveni ca raspuns la gestul Chisinaului, argumentand ca Romania are relatii speciale cu Republica Moldova.
In primavara anului 2009, au avut loc alegeri legislative, al caror rezultat a fost contestat prin manifestari de amploare la Chisinau, reprimate de autoritati, fapt reflectat pe masura de presa din Romania si din Europa. Voronin a acuzat dur Romania de revizionism sau sovinism si ca se implica in destabilizarea tarii si in manifestatiile de la Chisinau. In replica, Traian Basescu declara ca Romania va respinge oricand acuzatii potrivit carora ar fi fost implicata in revoltele de dupa alegerile din aprilie din Republica Moldova sau ca va fi implicata in treburile interne ale acestui stat.
In mai 2013, liderul Partidului Comunistilor din Republica Moldova, Vladimir Voronin, a declarat pentru postul de televiziune TV7 ca presedintele roman Traian Basescu face presiuni asupra politicienilor de la Chisinau si ii suna in stare de ebrietate. "Eu stiu despre apelurile telefonice zilnice ale lui Basescu. Pe parcursul intregii saptamani, el a sunat conducerea tarii. Suna inclusiv seara, fiind in stare de ebrietate", a declarat Voronin, in limba rusa, in cadrul unei emisiuni.
Intrebat despre ce vorbesc oficialii moldoveni cu presedintele roman, Voronin s-a limitat sa spuna ca acesta "se amesteca, dicteaza, vin cu cerinte". Intrebat apoi pe cine suna Basescu, Voronin a raspuns:"Pe cine sa sune? Pe toti ii suna. Pe rand.". El a precizat insa ca pe el nu l-a sunat. Ulterior, presedintele Traian Basescu a apreciat ca declaratia lui Voronin referitoare la persoana sa indica faptul ca acesta este furios pentru implicarea sa in favoarea integrarii europene a tarii vecine.