2002年11月，NVIDIA发布代号为NV30的GeForce FX 5800 Ultra，这款产品被NVIDIA视作夺回市场的全部希望。若单论技术特性，GeForce FX 5800 Ultra绝对是首屈一指，它采用了大量的前卫设计，俨然以王者地位自居，但这次NVIDIA却遭遇了很大的麻烦。
首先，GeForce FX 5800 Ultra采用第二代DDR显存，尽管它的频率高达1GHz，却只有区区128bit位宽，显存整体带宽不足，难以将GPU的性能完全发挥。在实际测试中，GeForce FX 5800 Ultra的性能仅与Radeon 9700 Pro持平或小幅胜出。要知道，此时距Radeon 9700 Pro的发布已经半年之久了。更要命的是，500MHz频率、1.25亿个晶体管和1GHz DDRⅡ显存让GeForce FX 5800 Ultra功耗巨大，散热系统居然发出高达70分贝的超高噪音……NVIDIA对GeForce FX 5800 Ultra作了大张旗鼓的高调宣传，市场的回应却是如潮的恶评，最终GeForce FX 5800 Ultra不得不黯然收兵。所幸针对主流的GeForce FX 5600和针对低端的GeForce FX 5200还有一定的规格优势，勉强保住了这两个领地。
2003年3月，ATI针锋相对推出Radeon 9800 Pro。尽管它只是在前代产品基础上作了些改良，但性能已轻松超越GeForce FX 5800 Ultra——这也许是ATI赢得最容易的一次。另外，ATI也针对主流和低端市场推出Radeon 9600、Radeon 9200两大系列，与NVIDIA的产品线划分如出一辙……
接下来，NVIDIA在2003年5月拿出GeForce FX 5900 Ultra替代失败的GeForce FX 5800 Ultra。GeForce FX 5900 Ultra充分吸取了教训，没有再盲目追求高频率。核心和显存频率由GeForce FX 5800 Ultra的500MHz和1GHz降低到450MHz和850MHz，以此保证有足够的产能并降低成本；其次，GeForce FX 5900 Ultra舍弃了昂贵、发热量巨大且不实用的DDRⅡ显存，继续使用成熟的DDR产品，尽管频率稍有降低，但它的位宽恢复为256位，带宽显著超越对手。功耗方面，GeForce FX 5900 Ultra也有了明显的改善，尽管还需要体积庞大的散热器，但它的工作噪音已经降低到大家都可接受的程度。至于3D性能，GeForce FX 5900 Ultra与Radeon 9800 Pro处在相同的等级，这一战为NVIDIA挽回了颜面。
到2003年底，ATI已经赢得各个显卡厂商的广泛支持，NVIDIA完全丧失了垄断地位，而表现强势的ATI最终在2004年取得半壁江山。于是，图形市场由NVIDIA一家独大最终演变为两强对垒的局面。
2004年4月， NVIDIA以强烈的翻身意愿发布传说已久的NV40—它被正式命名为GeForce 6800 Ultra，与之同系列的还有标准版GeForce 6800、针对主流市场的GeForce 6600系列和针对低端的GeForce 6200系列。GeForce 6800 Ultra被设计得十分夸张：它拥有史无前例的16条像素渲染流水线和6条顶点流水线（合称为“CineFX 3.0引擎”），支持Shader Model3. 0规格，整合强大的视频处理器单元，其晶体管规模高达2亿2200万。此外，GeForce 6系列还拥有许多新颖的新技术，所有这一切都只有一个目标：获得压倒性的性能优势。
果然，这一次GeForce 6800 Ultra不辱使命，ATI被打了个措手不及，不得不一再延后R420核心的推出时间。功耗控制方面，GeForce 6800 Ultra同样表现出色，尽管标称最高功耗达到150W，但实际工作中远小于这个数字，散热器运行安静。在用户关注的成本问题上，GeForce 6800 Ultra同样表现出色，NVIDIA与IBM合作，采用电路冗余技术，有效提高了GeForce 6800 Ultra的成品率，将制造成本控制在理想的范围内。
而仅在两个月后，NVIDIA接着发布了代号为NV45，采用PCI Express x16图形接口的GeForce 6800 Ultra。除了接口变动外，它带来的最重要特性就是可支持“SLI”并行显卡技术。籍由两块显卡并行运作，3D效能获得几乎翻倍的高幅成长，这个消息几乎让游戏界疯狂。而这项技术不仅适用于GeForce 6800 Ultra，还适用于所有采用PCI Express x16接口的专业、高端及主流显卡。加上NVIDIA以nForce 4 SLI芯片组构成完整的平台，SLI概念推广得热火朝天。也许只有很少的一部分人有机会用到SLI，但它无疑左右着消费者的购买取向，有效增强了NVIDIA产品的吸引力。
ATI对抗GeForce 6系列的就是Radeon X800、X600和X300系列产品线，它们均于2004年5月发布。其中，最高级的Radeon X800 XT Platinum Edition也拥有16条像素渲染流水线，晶体管数量为1.6亿个，但在一些规格上Radeon X800系列落后于GeForce 6800 Ultra（如不支持Shader Model 3.0），业界的普遍看法是ATI的产品略处于下风。同年12月，ATI接着发布改良型的Radeon X850，但小幅度的性能提升已经无碍于大局。
当NVIDIA带来SLI之后，ATI也针锋相对地带来自己的CrossFi re混合交火技术，配合自身的Radeon Xpress 200 CrossFire芯片组，搭建一套多显卡交火平台。CrossFire同样实力非凡，但受到芯片组不够成熟的拖累，大多数游戏玩家都更青睐NVIDIA的SLI系统。
2005年6月，新一轮的图形大战开始打响，NVIDIA率先带来了代号为G70的GeForce 7800 GTX。在基本架构上，GeForce 7800 GTX仍然承袭于GeForce 6（NV40）系列，但它拥有大量的技术改进，其中最为人瞩目的当属渲染流水线设计。前面我们提过，顶点渲染管线（Vertex Shader）与像素渲染管线（Pixel Shader）是决定显卡性能的关键性因素，由于这两个渲染管线的设计都被微软DirectX API所标准化，NVIDIA和ATI只能通过增加其数量来快速提升性能。NV40拥有6条顶点渲染管线和16条像素渲染管线，而GeForce 7800 GTX拥有8条顶点渲染管线和多达24条像素渲染管线，且各渲染单元内部的运算单元都获得大幅强化，从而实现性能的翻番，这也一举奠定了GeForce 7800 GTX的王者地位。NVIDIA将GeForce 7800 GTX的顶点渲染与像素渲染管线合称为“CineFX 4.0引擎”。CineFX 4.0同时实现对Vertex Shader 3.0和Pixel Shader 3.0规格的支持，这两者都是微软DirectX 9.0c API中所定义。
GeForce 7的视频播放能力也获得进一步的加强，所整合的PureVideo引擎获得进一步的升级。它除了可支持MPEG-1、MPEG-2和HDTV高清晰影像解码外，还能够对MPEG-4（DiVX）、WMV9（标准分辨率和高清晰分辨率）等视频进行硬件编码和解码。同时它还对场交错自适应消除、高品质缩放、伽马纠正、噪声降低、WMV9/H.264运动补偿和色块消除等功能提供最底层的硬件支持，使得计算机在执行这些任务时不需要耗费多少CPU资源，而视频画面的品质也可得到明显的提升。
GeForce 7800 GTX的晶体管规模达到惊人的3亿9百万，超过当时任何一款x86处理器。而在制造工艺选择上，NVIDIA这次采用相对落后但成熟的0.11微米技术，从而保证了良品率。
整个GeForce 7产品线看起来都相当完美，不过ATI的这一代GPU同样非常优秀，二者打了个平手。在GeForce 7800 GTX之后，NVIDIA又推出改良版的GeForce 7900系列，其性能也获得长足的进步。
ATI在同年10月发布自己的Radeon X1000 GPU，开始了DirectX 9.0c时代的征程。作为NVIDIA GeForce 7系列的强大对手，Radeon X1000不仅在着色器等方面有了明显提升，而且实现了对Shader Model 3.0的完整支持，有效改变长久以来在Shader Model指标方面的落后情况。其中，高端的Radeon X1800拥有8个顶点着色器和16个像素着色器。大家应该会注意到一个问题：NVIDIA GeForce 7800 GTX虽然也是拥有8个顶点着色器，但它的像素着色器数量达到24个。在GPU设计标准化的今天，着色器的数量直接决定GPU的性能，可ATI巧妙地通过提高芯片工作频率来弥补这一缺陷。Radeon X1800的核心频率高达625MHz，比GeForce 7800 GTX的430MHz高出45％。其次，Radeon X1800动用1.5GHz频率的超高速显存，在显存带宽指标上拥有明显的优势。通过这样的处理，Radeon X1800在性能方面的表现就丝毫不会逊色于对手。
Radeon X1000架构上的一个重要创新就是引入环形显存总线来代替之前的交错型总线，8×32位的配置方式加上采用高频显存，令Radeon X1000在显存性能方面获得一定的优势。在制造工艺上，ATI采用激进的90纳米Low-K工艺，这项工艺固然更先进但也让ATI吃了苦头，导致产品发布一再延迟，不过幸好仅仅只比NVIDIA落后几个月的时间。
2006年8月，AMD以54亿美元的代价并购ATI，从此ATI成为AMD公司的图形部门，这也标志着一个新时代的开始。
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