Traian Basescu a recueilli 50,33% des suffrages, contre 49,66% à son rival social-démocrate Mircea Geoana.
Le Parti social-démocrate (PSD) a toutefois annoncé qu'il contestait le résultat de l'élection, dénonçant des "fraudes massives".
L'élection présidentielle en Roumanie s'est déroulée de manière "généralement conforme aux standards de l'Organisation pour la sécurité et la coopération en Europe (OSCE)", a déclaré l'OSCE le 7 décembre.
"Le deuxième tour confirme notre jugement initial selon lequel cette élection s'est généralement déroulée de manière conforme aux standards de l'OSCE", a déclaré Vadim Zhdanovich, le chef de cette mission restreinte.
Lors d'une conférence de presse à Bucarest, il a toutefois appelé les autorités roumaines à enquêter sur les accusations "d'irrégularités".
Dimanche, 3 des 4 sondages sortie des urnes diffusés aussitôt après la clôture du scrutin avaient donné M. Geoana en tête, avec jusqu'à 3 points devant son rival. Les 2 candidats avaient chacun revendiqué la victoire.
Mais après avoir proclamé M. Geoana largement gagnant, le Parti social démocrate (PSD) avait annoncé dans la nuit de dimanche à le 7 décembre un décompte beaucoup plus serré, toujours favorable néanmoins à son candidat.
Un responsable de cette formation, Viorel Hrebenciuc, avait également fait état de "fraudes et irrégularités" qui auraient entaché ce scrutin, soulignant avoir demandé à ses représentants au sein des commissions électorales locales de "ne pas signer les procès verbaux" portant sur le décompte des voix.
"Nous ne disposons de rien de concret prouvant une fraude massive", avait pour sa part déclaré le président de l'association Pro Democratia, Cristian Parvulescu, tout en soulignant "ne pas avoir une vision complète" puisque l'association avait déployé seulement 1.400 observateurs pour 21.000 bureaux de vote. Et d'ajouter que "lorsque les candidats ont tous les 2 clamé la victoire, il était clair qu'une bataille juridique pouvait avoir lieu. Cette bataille pourrait durer plusieurs jours et évidemment cela ne sera pas en faveur de la formation rapide d'un gouvernement".
Au premier tour du 22 novembre, M. Basescu avait recueilli 32,44 % des suffrages exprimés, alors que M. Geoana en avait collecté 31,15 %.
Le président sortant est un ancien capitaine de marine de centre-droit. Son rival a également obtenu le soutien des partis d'opposition au sein du parlement, notamment le Parti national libéral et l'Union démocratique des Hongrois en Roumanie.
AFP-XINHUA/VNA