De tekniska företagen kommer att hjälpa till att utforma undervattenskabeln som kommer att löpa mellan Virginia i USA och Bilbao, Spanien.
Projektet kommer att förvaltas av det spanska teleföretaget Telefonica, som kommer att sälja eventuell outnyttjad kapacitet på kabeln till andra kunder.
Kabeln kommer att hjälpa teknikjättarna att flytta data snabbare och billigare mellan sina globala datacenter.
Teknikföretagen måste vanligtvis betala telekommunikationsföretagen för att använda sina kablar, vilket kan vara kostsamt. Och de stora mängder data som rör sig över dessa linjer kan göra dem långsammare.
Projektet, som kallas MAREA, kommer att vara den högsta kapaciteten undervattenskabel över Atlanten, med en förväntad kapacitet på cirka 160 terabit per sekund av data, sade företagen.
Det är inte den första undervattenskabeln som sponsras av ett teknikföretag.
Under 2014 Google paras upp med fem telekommunikationsföretag för att bygga en undervattenskabel över Stilla havet.
Byggandet av den 6 600 km långa kabeln beräknas starta i augusti och beräknas vara klart i oktober 2017.
Microsoft sa MAREA kommer att bidra till att öka hastigheten och tillförlitligheten av sina molntjänster.
"Detta markerar ett viktigt nytt steg i att bygga nästa generations infrastruktur på Internet", säger Microsofts chef för globala nätverksförvärv, Frank Rey.
Microsoft har också testat undervattensdatacenter. Dessa centrum skulle vara billigare att underhålla eftersom de inte skulle ha de tillhörande kylkostnaderna för datacenter på land och skulle kunna drivas med hjälp av marin energi.
Facebook och dess 1,23 miljarder månatliga aktiva användare är också starkt beroende av att överföra data och VD Mark Zuckerberg har åtagit sig att utöka den globala internettillgången.
Microsoft och Facebook har meddelat planer på att bygga den högsta kapacitet datalänken mellan USA och Europa.