Den unika pakten mellan de två länderna inkluderar såväl rörelsefrihet som säkerhetsgarantier.
"Vi anser att invånarna i Tuvalu förtjänar valet att bo, studera och arbeta någon annanstans, eftersom klimatförändringarnas effekter förvärras", säger Australiens premiärminister Anthony Albanese och hans kollega i Tuvalu, Kausea Natano, i ett gemensamt uttalande.
Tuvalu, med en befolkning på 11 000 människor, är bland världens mest utsatta nationer på grund av stigande havsnivåer.
Två av örikets nio atoller har i stort sett redan sjunkit under havet. Klimatforskare fruktar att öriket kommer att vara helt obeboeligt inom de närmaste 80 åren.
Australien åtar sig också att försvara Tuvalu vid en invasion av utländsk makt samt att bistå med hjälp i händelse av en naturkatastrof.
Pakten kommer sannolikt att ses som en betydande strategisk vinst för Australien, som konkurrerar med Kina för att befästa sitt inflytande i Stillahavsregionen.
Avtalet måste ratificeras av varje land innan den träder i kraft.