Sveriges Natoambassadör Axel Wernhoff och hans finländske kollega Klaus Korhonen lämnade strax efter klockan 08 på onsdagsmorgonen in de ansökningsbrev till Nato som undertecknats av deras utrikesministrar.
Överlämnandet skedde på militäralliansens högkvarter i Haren i nordöstra Bryssel.
Ansökningarna togs emot av Natos generalsekreterare Jens Stoltenberg.
Han hälsade Sverige och Finland varmt välkomna till Nato.
– Det är ett historiskt steg, säger Jens Stoltenberg.
Stoltenberg sade också att Sverige och Finland är Natos närmaste partners och bidrar till att öka Natos gemensamma säkerhet.