במהלך חייו, המעבד K6 הגיע קרוב, אך מעולם לא השתווה לעוצמתם המלאה של המעבדים מבית אינטל. יתרה מכך, לוחות האם שעבדו עם ה-K6 היו באיכות משתנה, ול-AMD היו בעיות בייצור שהשפיעו על כמה משלוחים. AMD הרוויחה מוניטין של חברה שמייצרת "תואם x86" שהוא איטי יותר ופחות אמין, אף על פי שהפרש הביצועים היה קטן מאוד, ולוחות האם תואמי ה-K6 הטובים ביותר היו אמינים מאוד. דבר זה גרם ל-AMD להגיע למצב שהם נאלצו למכור את מעבדי ה-K6 שלהם בהנחה משמעותית מול מעבדי האינטל המבוססים על ליבת ה-P6, הפנטיום II והפנטיום III. אינטל הגיבה למחירים הנמוכים של AMD עם גרסת ה-"Celeron" של מעבדי הפנטיום שלהם שהיו זולים יותר ואיטיים יותר בניסיון שהצליח חלקית ללכוד נתח שוק.
באוגוסט 1999, AMD שחררה את מעבד ה-K7, או בשם המסחרי Athlon. האתלון הכיל מיקרו-ארכיטקטורה מתקדמת שכוונה לעבר ביצועים כלליים טובים. תזמון השחרור של מעבד זה שם את AMD ביתרון כיוון שביצועיו היו חזקים יותר לעומת מעבדי אינטל ששווקו באותו זמן, המבוססים על ליבת ה-P6 (שהגיע לשיאו במעבד העיקרי של הפנטיום III). ליבת ה-P6 של אינטל הייתה לקראת סוף מחזור-החיים שלה, כשהאתלון היה רק בהתחלה שלו. באופן אובייקטיבי, לאתלון היה מבנה ביצועים טוב יותר עבור כל "פעימת שעון" מאשר המעבדים מבוססי ה-P6 של אינטל, וגם פעל בתדרים גבוהים יותר. AMD הכריזה על האתלון במהירות 1 גה"צ בתחילת מרץ 2000, והתחילה לספק אותם באותו החודש. אינטל גם הכריזה על פנטיום במהירות 1 גה"צ מספר ימים לאחר מכן, אך לא החלה לספק אותם בכמות משמעותית עד לחודש יוני באותה השנה.
2001 - 2006.
AMD גם עבדה קשה כדי להגדיל את האמינות והביצועים של לוחות האם עבור האתלון. הם גם שיפרו את התוואי והצפי של תהליך הייצור שלהם. AMD שחררה גם את הקו השני של מעבדי ליבת האתלון שנקראו Duron והיו גרסה איטית יותר וזולה יותר של המעבד שנועדה להתחרות במעבדי Celeron שאינטל עדיין שיווקה, והיוותה מעין "בידוד" עבור האתלון, נגד המוניטין הקודם של AMD שייצרו רק "תואמי אינטל" איטיים וזולים יותר. הצירוף של ההצלחות הטכניות והשיווקיות האלה תרם רבות לשיפור המוניטין של AMD, וחיזק את שמם כיצרני מעבדים עם ביצועים גבוהים שאספקתם אמינה ושפעולתם אמינה גם כן. AMD המשיכה למכור במחירים הנמוכים ממחיריה של אינטל, מה שעזר לה להגיע לנתח שוק של 20%.
בשנת 2001, שחררה אינטל את ארכיטקטורת הפנטיום 4 (ששם הקוד שלה היה "Willamette") שהייתה שונה באופן מהותי מבחינת המיקרו-ארכיטקטורה מליבות האתלון וה-P6. אף על פי שהליבה החדשה הגיעה לקצב שעון גבוה יותר, הביצועים עבור כל מחזור-שעון היו הרבה יותר איטיים משל האתלון, ואפילו משל ה-P6 של אינטל עצמה. דבר זה גרם לחלק מהאנשים להאמין שלפנטיום 4 יש ביצועים טובים יותר בגלל קצב השעון שלו, למרות הביצועים בבדיקות הבנצ'מרקים.
AMD הגיבה עם ליבת ה-K7 החדשה (ששם הקוד שלה היה "Palomino") והיו לה מנגנוני קדם-אחזור טובים יותר, SSE (סט הוראות נקודה-צפה שהופיעו לראשונה בפנטיום III), וזיכרון מטמון L2 על השבב. AMD מיתגה אותם מחדש בהתבססה על מספרי דגם שיחזו בערך את ביצועי קצב השעון של האתלונים החדשים האלה נגד הגרסאות הקודמות של האתלון. האפקט היה שמספרי המודל היו דומים יותר לקובצי השעון המעשיים של הפנטיום 4. עבור מעבדי AMD בהינתן מספר דגם מסוים, הפנטיום 4 שתואם במהירות שעון הראה בערך את אותם הביצועים ברוב הבנצ'מרקים.
אינטל הגיבה ל-AMD והאתלון שלהם על ידי הקפצת קצב השעון של הפנטיום 4 באופן אגרסיבי בתחילת מחזור החיים שלו, בדיוק שהאתלון התקרב לסוף מחזור החיים שלו, ולכן הגיעה לזמן קצר שבו הפנטיום 4 שלט בביצועים. AMD הגיבה עם האתלון XP (שנקרא "Thoroughbred"), שהיה גרסה של 130 ננומטר של ה-Palomino. מאוחר יותר AMD הציגה את ליבת ה-"Barton" שהגדילה את מטמון ה-L2 ל-512 קילו-בתים.
בשנת 2006 רכשה AMD את ATI עבור סכום של 5.6 מיליארד דולרים שפוצל ל-2 מיליארד דולר שמומנו בהלוואה, ו-56 מיליון מניות של 179 דולרים. AMD המשיכה להוציא כרטיסי מסך עצמאיים לצד שילוב יכולת העיבוד הגרפית במעבדים בתוצרתה במקביל למהלך דומה של חברת אינטל, בסדרת מעבדי ה-Core I.
2006 - 2010.
עם רכישת AMD ,ATI קיבלה גישה לטכנולוגיות המאיצים הגרפיים שהיו ברשות החברה הקנדית, שכן באו לידי ביטוי תחת כרטיס אימתני (בשעתו) הנקרא ATI Rage. שבב זה היה מבוסס על 64 מאך, אך למרות זאת הציג פיצ'רים המדמים רנדור בתלת ממד. משפחת המוצרים הזו היוותה תחרות ישירה לקו המוצרים של חברת 3dfx שפעלה, בזמנו, בביצה המקומית ובשבב ה-Voodoo הידוע לשמצה שלה. חלק מן המוצרים, כמו Rage Pro – היווה אידורציה של ATI למאיץ ה-Voodoo המסוגל לרנדר אובייקטים ב-2D וב-3D באופן סימולטני, בעוד שמוצרים אחרים, כמו משפחת ה-Radeon, הופנו באופן ייעודי לשוק המחשבים הניידים והקונסולות. כחלק מתיאום העסקה, מנכ"ל ATI בדימוס דייב אורטון מונה לסגן נשיא לעסקים חזותיים ומדיה ב-AMD עד להתפטרותו בשנת 2007. ההנהלה הבכירה אורגנה מחדש עם סגן נשיא בכיר ומנהל כללי, וסגן נשיא בכיר ומנהל כללי של קבוצת מוצרי האלקטרוניקה, שניהם היו מדווחים למנכ"ל AMD וכפופים למרותו. באוקטובר 2008 החליטה AMD להתפצל בעזרת חברת השקעות מאבו דאבי. AMD תמשיך להתרכז בתכנון השבבים השונים וחברה חדשה הקרויה Global Foundries תתמקד בייצורם. ב-30 באוגוסט 2010, נשיא החברה ג'ון טריקולה הודיע כי AMD תזנח את שמה של ATI מכלל המוצרים ובמקומה תציב את שם הליין הפופולרי שלה בשעתו, Radeon. עובדה זו הובילה לגימור מוצרים מליין העונה לשם "HD Series" - כרטיסים הממותגים תחת מספור של אלפיות (HD4XXX\HD5XXX).
2010 - 2016.
באוקטובר 2011 AMD השיקה את משפחת מעבדי ה-AMD FX, תחת שם הקוד "בולדוזר", בליטוגרפיה של 32 ננומטר. לראשונה בעולם הוצג מעבד עם 8 ליבות למחשבים ביתיים. הטכנולוגיה כוללת תכונה המכונה Turbo Core, המאפשרת להאיץ ליבה אחת על חשבון ליבות אחרות. בנובמבר 2011 החברה החלה למתג זיכרונות RAM תחת שמה.
בשנת 2013 פתחה AMD מרכז פיתוח בהרצליה. הסניף מעסיק כ-70 עובדים, כשרובם הם מיוצאי פריסקייל סמיקונדקטור שפוטרו מהאחרונה באותה שנה.
2017 ואילך.
ב-2017 הוציאה החברה סדרת מעבדי 14 ננומטר חדשה בשם Ryzen המבוססת על ארכיטקטורת Zen שפותחה על ידי צוות בהובלתו של ג'ים קלר.
באפריל 2018 שחררה החברה את הדור השני למעבדי Ryzen המבוססת על ארכיטקטורת Zen+ בליתוגרפיה של 12 ננומטר.
בשנת 2019, שוחרר הדור השלישי למעבדי Ryzen המבוססת על ארכיטקטורת Zen 2 בליתוגרפיית ייצור של 7 ננומטר; סדרת המעבדים זכתה להצלחה רבה, העלתה את רף הרווחים החודשי של החברה ואף את מחיר מנייתה פי כמה מונים בשנית.
באוקטובר 2020 הודיעה AMD על רכישת חברת פיתוח השבבים זיילינקס תמורת 35 מיליארד דולר.
בנובמבר 2020 AMD שחררה את הדור הרביעי של מעבדי Ryzen, המבוססים על ארכיטקטורת Zen 3 עדיין בליתוגרפיית ייצור של 7 ננומטר אך עם שיפורים משמעותיים ל-IPC (מס' הוראות למחזור שעון). המעבדים שברו שיאים בביצועים לתהליכון יחיד במבחן הביצועים של PassMark.
AMD64.
AMD פיתחה את ארכיטקטורת 64 ביט - AMD64 "Hammer" (הידועה גם כ-K8), המבוססת על ה-AMD Opteron. בעודם שומרים על התמיכה בסט ההוראות המסורתי של ה-x86, תמיכת ה-64 ביט של ה-Hammer היא טבעית. זהו פיתוח של AMD, ואינו תואם את ארכיטקטורת ה-IA-64 שבה משתמשים מעבדי ה-Itanium של אינטל (מאז הכריזה אינטל על סט פקודות חדש במעבדיה שמבוסס ותואם ל-AMD64. טכנולוגיה זו נקראת EM64T). שימוש והרחבת הקיים (ארכיטקטורת ה-x86) איפשרה חדירה מסיבית של מעבדי 64 ביט לשוק, תוך תמיכה לאחור בתוכנות הדור הקודם.
AMD שחררה את מעבד ה-AMD64 הראשון שלה (K8), ה-Opteron, במרץ 2003. ה-Opteron מיועד עבור תחנות עבודה ושרתים, כולל אלו המכילים יותר ממעבד אחד. למרות זאת, חברת Cray הכריזה על שימוש במעבדי ב-Opteron כבסיס למחשב-על שנקרא "סופה אדומה". לאחר מכן שחררה AMD את ה-Athlon 64 וה-Athlon 64 FX בספטמבר 2003 בהתבסס על אותה ארכיטקטורת ליבה, שרוב הבנצ'מרקים הראו כשווה או טובה יותר מהפנטיום 4. בעבר הפנטיום 4 הפגין ביצועים טובים מהאתלון 64, ושמר על יתרון הביצועים שלו באפליקציות עיבוד מדיה זורמת. החל מנובמבר 2004, נוספו ה-2800+, 3000+, 3200+, 3400+, 3700+, 3800+, 4000+, 5000+, 5200+, 5600+ וה6000+ לאתלון 64.
לאתלון 64 ולאתלון FX (לכל הגרסאות) יצאה גרסת ה-X2 בעלת ליבה כפולה שנועדה להתמודד מול הפנטיום D (שהיה כפול ליבה). AMD תמחרה אותם בצורה אגרסיבית אחרי יציאת סדרת Core 2 Dual בשל חוסר ביצועים מול הסדרה הזאת אחרי ההפסדים העצומים שנגרמו לה משחרור סדרה זו.
ה-AMD Athlon FX וה-Opteron משתמשים בשיטת מספור שונה. ה-Opteron כולל שלוש סדרות - 100, 200 ו-800, כשכל אחת מהן נועדה לסוגים שונים של שרתים ותחנות עבודה. סדרת ה-100 נועדה לתחנות עבודה ולקונפיגורציית מעבד-בודד. סדרת ה-200 נועדה לתחנות עבודה או שרתים, ולא עברה הסמכה לשימוש ביותר מ-2 מעבדים באותה מערכת. סדרת ה-800 של ה-Opteron אפשרית לשימוש בשרתים עם 4 או 8 מעבדים, שהם העוגן למחשבים החזקים ביותר שנבנו עם ה-Opteron באותה התקופה. האתלון FX משתמש במספרים שעולים למעלה, החל מ-51. ליבת ה-Hammer מאוד דומה לליבות שבמעבדי ה-Athlon XP במיקרו-ארכיטקטורה שלה, אך כוללת ארבעה הבדלים עיקריים:
כל אלו שיפרו גם את הביצועים וגם את היכולות של ה-Hammer מול ה-Athlon K7.
Intel Core 2