1999年8月，NVIDIA发布GeForce 256图形芯片，宣告了GPU时代的降临。这是Voodoo加速卡诞生以后图形工业最伟大的革命：GeForce 256从CPU手中接管了更多的计算任务，CPU在3D渲染任务中的地位变得更加无足轻重，GPU完全奠定了3D渲染的主角地位。
GPU的诞生可谓石破天惊，NVIDIA开创了一个时代，也将所有的竞争对手拉在后面——跟随NVIDIA推出GPU的只有ATI、S3和3DLabs，但最终存活并与NVIDIA分庭抗礼的只有ATI，它在后来也成为AMD的一部分，成为英特尔和NVIDIA共同的“大麻烦”。
GPU概念本身富有革命性，并且在实际应用中起到惊人的效果，但整个GPU时代发展却又是比较乏味的：大量竞争对手不再跟随，NVIDIA在初期完全是一骑绝尘，完全垄断了市场，作为追随者的ATI当时看起来只是小角色，根本不可能给对手带来多大的麻烦。而GPU本身的更新换代看起来只是晶体管的堆砌游戏：谁能够在GPU中设计出更多的顶点单元和像素单元，谁就能够在性能和市场方面都占据上风。
在TNT2系列大获成功之后，NVIDIA于1999年8月推出它的新一代产品，并以“GeForce 256”的新名字出现。GeForce 256并不是TNT2的简单升级版本，而采用一种全新的架构：256位核心设计，将T＆L（几何转换与光照）功能以硬件的形式集成在图形芯片中，由图形芯片来负责几何转换和光照操作。这些都属于3D图形任务的前半部分，以往它们都完全依赖CPU执行，而CPU浮点性能的强弱就会对整机的3D性能表现产生很大的影响。GeForce 256 将该功能整合之后，几何转换和光照操作都可以由自己独立完成，不必再依赖CPU，图形芯片便相当于一枚专事3D图形处理的处理器，这也是“GPU（Graphic Processing Unit）”的名称由来，而这部分逻辑则被称为“硬件T＆L引擎”。
事实上，硬件T＆L引擎并不复杂，它只是一个包含256个指令的DSP（数字信号处理器），可以通过BIOS和驱动程序的升级来获得更强大的功能。这种设计让GeForce 256获得空前的成功，它的3D效能大幅度超过TNT2系列，诸如3Dfx、Matrox、ATI、Trident、3Dlabs等对手都被远远抛在后面，而游戏软件界也迅速接纳了硬件T＆L的理念，并在新一代游戏中积极支持该项技术。于是，硬件T＆L成为当年最热门的图形技术，NVIDIA的王者地位也就此一举奠定。而GPU的概念也就成为前后两代图形技术的分水岭，3Dfx 时代终结，NVIDIA时代开始。
唯一能跟上NVIDIA脚步的只有S3。同年，S3推出了同样具备硬件T＆L引擎的Savage 2000芯片，并将这项技术命名为“S3TL”。S3TL与NVIDIA的方案在具体实现上并不相同，但两者的功能都是一样的。在宣传方面，S3对此顾虑较多，认为图形芯片集成硬件光照运算无异于抢了CPU的饭碗，且还需要一段时间才能获得游戏的支持，没必要大张旗鼓。尽管Savage 2000的实力相当强劲，结果低调的宣传让它鲜为人知：拥有8个OpenGL兼容的硬件动态光源处理能力，可生成比前代产品高出4～10倍复杂度的场景，运算能力达到同年代CPU的3倍之多。不幸的是，Savage 2000的驱动程序实在太糟糕，这让它根本无法同GeForce展开有效竞争，在推出Savage 2000＋之后，S3在图形业的历程嘎然而止，被VIA收购后基本无所作为。
GeForce 256并没有在市场上流行多久，因为NVIDIA在6个月后就推出了它的下一代产品：GeForce 2。GeForce 2衍生出大量的产品：针对低端市场的GeForce 2 MX系列，针对中高端的GeForce 2 GTS、GeForce 2 Pro和后来的GeForce 2 Ti，以及拥有顶级性能的GeForce 2 Ultra等；同时也包括针对笔记本电脑的GeForce 2 Go系列。
相比GeForce 256，GeForce 2系列更为成熟先进：GeForce 2采用0.18微米工艺生产，而GeForce 256仍基于TNT2 Pro的0.22微米工艺，发热量很大。先进工艺让GeForce 2热量锐减的同时，性能上也比GeForce 256提高了25％左右的幅度。同时，准确的细分策略也为GeForce 2系列攻城掠地立下大功。标准版GeForce 2 GTS针对主流市场，它具有4条像素渲染流水线，每条包括两个纹理单元，二者结合成为一个强大的渲染引擎；其核心频率为200MHz，像素填充率和纹理填充率分别达到800Mpixels/s 或1.6Gtexels/s。针对低端市场的GeForce 2 MX只有2条渲染流水线，实际性能相当于GeForce 2 GTS的一半，核心频率也降为175MHz。尽管如此，在功能特性方面它与GeForce 2 GTS没有什么不同，相对出色的性能和平易近人的价格让GeForce 2 MX获得近乎辉煌的成功。
2000年6月，NVIDIA对GeForce 2产品线进行全面升级。性能更出色的GeForce 2 Pro代替GeForce 2 GTS成为主流，新增250MHz频率的GeForce 2 Ultra进一步巩固旗舰地位；另外，NVIDIA也首次推出针对专业市场的Quadro 2和Quadro MXR，推出针对移动应用的GeForce 2 Go，奠定了NVIDIA的全方位优势。
这个时候，能与NVIDIA竞争的只有ATI了。2000年7月，ATI正式推出了支持硬件T&L引擎的Radeon芯片。Radeon带有相当多的新特性，如Charisma Engine、Pixel Tapestry、Video Immer sion、Hyper Z压缩技术等等，尽管3D性能仍然逊于GeForce 2，但两者已经相当接近，且Radeon在视频回放效果方面表现卓越，加上原厂做工让Radeon保持出色的2D画质，对NVIDIA产生了一定的威胁。不过，这种威胁并没有在市场上体现出来：ATI没有采用开放芯片授权的做法，芯片和显卡都由自己独立完成，产品价格昂贵；而NVIDIA自身只从事GPU芯片设计，显卡业务完全由数量众多的板卡合作厂商完成，这样它就拥有一支庞大的同盟军—单枪匹马的ATI不足以同NVIDIA体系对抗，直到后来ATI改变策略后情况才逐渐好转。
时光的书页翻到2001年2月，NVIDIA推出架构大改良的GeForce 3，再度获得领先技术优势。相比前两代产品，GeForce 3在架构上有了很大改良，它最引人注目的就是新增的“nf initeFX”引擎—nf initeFX由可编程的顶点渲染单元（Vertex Shaders）和像素渲染单元（Pixel Shader）联合构成，静态的硬件T＆L被它取代。NVIDIA声称，nfiniteFX是继硬件T&L之后的又一项重大改进，可编程的特性允许控制指令千变万化进行组合，游戏开发者可以根据自己的意愿来获得更出色的效果；同时GeForce 3也实现了对微软DirectX 8 API的支持，抢占未来游戏的制高点。其次，GeForce 3对内存控制器进行全面改进，引入全新的“交错式内存控制器”（NVIDIA称之为“光速显存架构”），有效改善了内存带宽的使用效率，这对其性能也起到很明显的提升作用。再者，GeForce 3还引入一系列新的技术特性，如Z轴隐面剔除、多重取样反锯齿等。在这些新技术推动下，GeForce 3表现出极其可观的性能提升，将ATI的Radeon远远甩在后头。
不过，标准版GeForce 3显卡并没有在市面上怎么露面，因为NVIDIA在下半年就接着推出GeForce 3 Ti 500和GeForce 3 Ti 300取而代之；中端方面，也对GeForce 2系列再度包装，推出GeForce 2 Ti，低端市场则将GeForce 2 MX细分为MX 400、MX 200和MX 100型号以满足更广泛的用户群体。
然而，NVIDIA并没有如愿以偿击败对手，ATI展开了凌厉的反击。2001年9月，ATI发布代号为“R200”的Radeon 8500 GPU，它拥有四个像素单元，每个像素单元拥有两个纹理单元。它也支持Di rectX 8.1的顶点着色引擎和像素着色引擎，这两个顶点着色引擎也被称为Charisma Engine Ⅱ，为新的顶点着色程序和旧的DirectX 7硬件T&L提供了出色的支持。
针对中端市场，ATI推出Radeon 7500应对，它其实就是第一代Radeon核心的高频版本，性能有一定提升的同时保持相对低的价格。也是在这个时候，ATI做出了对未来影响深远的英明决定：开放显卡授权，让第三方板卡厂商可以制造基于ATI GPU芯片的3D显卡。NVIDIA对此极为紧张，迅速对合作伙伴进行严厉的控制，显卡大厂大都站到NVIDIA一边，只有那些无足轻重的二三流显卡品牌响应ATI。幸好，出色的3D性能加上视频回放方面的传统优势，让Radeon 8500和Radeon 7500获得许多消费者的支持，加上ATI之前推出的Radeon LE、Radeon VE等低端产品又有效带动了低端市场，图形市场原本由NVIDIA一家独大的铁板格局开始松动。
2002年2月，GeForce 4发布。这次，NVIDIA将高端产品分为GeForce 4 Ti 4600、 GeForce 4 Ti 4400 和GeForce 4 Ti 4200，低端产品则分为GeForce 4 MX 460、GeForce 4 MX 440和GeForce 4 MX 420。相比GeForce 3，GeForce 4有了不小的改进，如采用支持双顶点渲染单元的第二代nfiniteFX引擎、效率更佳的第二代光速显存架构、可产生平滑阴影效果的Shadow Buffer、VPE（Video Processing Engine）影像处理引擎等。不过这种变化更多属改良性质，远不如从GeForce 2到GeForce 3的转折来得彻底。所幸GeForce 4的性能相当不错，至少GeForce 4 Ti 4600以明显优势击败了ATI Radeon 8500。
不幸的是，Radeon 8500并不是GeForce 4 Ti的真正对手，ATI在GeForce 4发布五个月之后（2002年7月）拿出震撼性的Radeon 9700 Pro（核心代号R300），这比预定计划整整提前了半年。Radeon 9700 Pro率先提供对DirectX 9.0规格的支持，整合8条像素流水线，并拥有诸如SMOOTHVISION 2.0（多重采样）、Hyper Z Ⅲ、FULLSTREAM（完全流媒体）、10位色输出等诸多先进功能，晶体管规模达到1.1亿个。在各项目评测中，Radeon 9700 Pro都大幅度超越GeForce 4 Ti 4600，一举成为2002年最强劲的显卡。另外，针对中端和低端市场，ATI也及时推出Radeon 9000和Radeon 9000 Pro芯片，从高端到低端形成Radeon 9700 Pro、Radeon 9000、Radeon 9000 Pro、Radeon 8500和Radeon 7500等完整的产品线。市场热情空前高涨，一些显卡大厂陆续摆脱NVIDIA的控制投入到ATI的怀抱，ATI展现出咄咄逼人的发展势头，NVIDIA的霸主地位受到强力挑战。
也是在这一年，图形市场出现不少有意思的变化：沉寂多时的Matrox在5月14日高调发布规格前卫的Parhelia-512 GPU，它也是业界第一款采用512位核心的GPU产品，并携带诸如10亿色彩、三头显示等许多新技术登台。遗憾的是，Matrox并没有因此翻身，Parhelia-512的3D性能明显落后于NVIDIA和ATI的产品，且高昂的价格令人望而止步，Matrox由此转向行业市场，退出消费领域的竞争。
此外，SiS则拿出Xabre 600 GPU，意图重返主流图形市场。Xabre 600支持DirectX 8.1、AGP 8X等规格，并率先采用0.13微米工艺制造。SiS雄心勃勃希望能借此在低端市场大展拳脚，可未想到Xabre 600的性能居然还不如GeForce 4 MX 460，毫无竞争力可言。再说消费者更热衷于占主导地位的N系或A系显卡，Xabre 600发布之后长时间无人问津，SiS不得不继续在市场边缘上徘徊。
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