את אלבום האולפן החמישי, Amnesiac, הלהקה הוציאה לאור פחות משנה אחרי, ב-5 ביוני 2001. האלבום הגיע למקום הראשון במצעד האלבומים הבריטי, ולמקום השני במצעד בילבורד 200 האמריקאי. גם אלבום זה זכה בפרס גראמי, אם כי הפעם על "אריזת האלבום הטובה ביותר" של שנת 2001. את הפרס קיבל סטנלי דונווד.
האלבום קיבל ביקורות דומות יחסית לאלבום Kid A, וממוצע הציונים על פי אתר Metacritic הוא 75 מתוך 100 (על פי 25 ביקורות). האלבום סווג כאלקטרוני, רוק ניסיוני ורוק אלטרנטיבי.
יצאו שלושה סינגלים מהאלבום כאשר הבולט מתוכם, "Pyramid Song", הצליח להגיע למקום החמישי במצעד הסינגלים הבריטי.
בסוף שנת 2001 הלהקה הוציאה את , אלבום ההופעה היחיד של הלהקה.
2002-2004: Hail to the Thief ועבודות סולו.
את אלבום האולפן השישי, Hail to the Thief, הלהקה הוציאה ב-9 ביוני 2003. חברי "רדיוהד" תיארו את ההקלטות של האלבום כרגועות יותר משני האלבומים הקודמים. האלבום הגיע למקום הראשון במצעד האלבומים הבריטי, ולמקום השלישי במצעד בילבורד 200 האמריקאי. כמו כן, המפיק נייג'ל גודריץ' וטכנאי הקול דארל ת'ורפ קיבלו פרס גראמי בשל עבודתם על האלבום, על "עיבוד האלבום הטוב ביותר" של שנת 2003.
הביקורות לאלבום היו מאוד טובות, והוא היווה מעין חזרה לסגנון של הלהקה בשנות ה-90. האלבום קיבל ממוצע ציונים באתר Metacritic של 85 מתוך 100 (על פי 26 ביקורות). האלבום סווג כיצירת רוק אלטרנטיבי, ארט רוק, רוק ניסיוני ורוק אלקטרוני.
מהאלבום יצאו שלושה סינגלים, "There There" נחשב לסינגל המצליח ביותר והגיע למקום הרביעי במצעד הסינגלים הבריטי.
בנוסף, שנה לאחר שחרור האלבום, בשנת 2004, הוציאה הלהקה את האלבום הקצר השישי שלה, Com Lag (2plus2isfive).
אחרי יציאת אלבום האולפן והאלבום הקצר הלהקה החליטה לצאת להפסקה זמנית במטרה לאפשר לחבריה להיות עם המשפחות ולעבוד על פרויקטי סולו. ג'וני גרינווד יצר את הפסקול לסרטים "זה ייגמר בדם" ו-"Bodysong". תום יורק, הוציא באמצע שנת 2006 את אלבום הסולו הראשון שלו, The Eraser.
2004-2009: עזיבת EMI, In Rainbows.
לאחר יציאתו לאור של Hail to the Thief הסתיים חוזה ההקלטות של הלהקה. הלהקה הייתה חשובה מאוד לחברה בה הייתה חתומה כל השנים האלה, EMI, והחברה ניסתה להחתים את הלהקה אצלה שוב (ניסיונות שנכשלו כאשר הלהקה הייתה מבקשת סכומי כסף מופרזים). לבסוף, חברי הלהקה החליטו לנסות להוציא לאור בעצמם את האלבום הבא שלהם.
ב-10 באוקטובר 2007 יצא In Rainbows, אלבום האולפן השביעי של הלהקה, שהיא הקליטה מאז שנת 2005. הלהקה הוציאה את האלבום דרך אתר האינטרנט שלה ללא תג מחיר, ואפשרה לכל אדם לקבוע כמה הוא רוצה לשלם עבור אפשרות להוריד את האלבום (גם לא לשלם בכלל הייתה אפשרות). המהלך של הלהקה זיכה אותם בחשיפה עולמית ועיתונים רבים כתבו על העניין. בימים שלאחר יציאת האלבום לאור הוא הורד מהאתר של הלהקה למעלה ממיליון פעמים, והמחיר הממוצע ששילם משתמש היה כ-4 אירו.
הלהקה הייתה צריכה גם לחתום עם חברת תקליטים, שכן הפצה דיגיטלית באותן שנים הייתה בעייתית. לכן, הלהקה חתמה בחברת אקס-אל רקורדינגס לצורך הפצת האלבום בבריטניה (בסוף שנת 2007) ובחברת TBD רקורדס לצורך הפצה האלבום בצפון אמריקה (בתחילת שנת 2008). האלבום הגיע למקום הראשון בשני מצעדי האלבומים העיקריים: מצעד האלבומים הבריטי ומצעד בילבורד 200 האמריקאי.
האלבום הצליח לזכות בשני פרסי גראמי: אחד על "האלבום האלטרנטיבי הטוב ביותר" ואחד על "אריזת האלבום הטובה ביותר" של שנת 2008. גם בביקורות האלבום הצליח מאוד, ובאתר Metacritic מחזיק בממוצע של 88 מתוך 100 (על פי 42 ביקורות). האלבום מסווג כארט רוק, רוק ניסיוני, ארט פופ ואלקטרוני.
שישה שירים יצאו כסינגלים, ואף אחד מהם לא הגיע למקום גבוה במצעד הבריטי והאמריקאי. הסינגל "Nude", המצליח ביותר מהאלבום, הגיע למקום גבוה במצעדים אחרים, כמו המצעד האיטלקי, הפורטוגלי והנורווגי.
2009-2012: פרויקטים צדדיים ו-The King of Limbs.
בשנת 2009 תום יורק הקים להקה נוספת, אטומס פור פיס, יחד עם נייג'ל גודריץ', פלי (בסיסט להקת רד הוט צ'ילי פפרז), ג'ואי וורנקר (מתופף שעבד עם אר.אי.אם. ובק) ומאורו רפוסקו (נגן כלי הקשה). הלהקה שהקים יצאה לסיבוב הופעות בשנת 2010 וביצעה בעיקר שירים מאלבום הסולו של יורק, The Eraser. בנוסף, באותה שנה יצא גם אלבום הסולו הראשון של פיל סלוואי, Familial.
אלבום האולפן השמיני של להקת רדיוהד, The King of Limbs, יצא ב-18 בפברואר 2011. גם הפעם הלהקה הוציאה את האלבום קודם דרך האתר שלה (אם כי הפעם עם תג מחיר, ולא סכום שהוא לבחירת המשתמש), ולאחר כשבועיים, דרך חברת התקליטים אקס-אל רקורדינגס.
למרות הצלחתם של האלבומים הקודמים, במצעד האלבומים הבריטי הוא הגיע למקום השביעי, ובמצעד בילבורד 200 האמריקאי למקום השלישי. גם מבחינת סינגלים יצא רק אחד, "Lotus Flower", שלא הגיע למקומות גבוהים במצעדים.
למרות הנתונים האלה, על פי מנהל הלהקה מדובר באלבום הרווחי ביותר של הלהקה עד לאותה שנה. האלבום מכר דרך האתר כ-400,000 עותקים, וחסך ללהקה את העמלה הגבוהה שהיו משלמים לחברת תקליטים על אותן מכירות. גם הביקורות שהאלבום קיבל הן מאוד טובות, עם ציון ממוצע בביקורות של 80 מתוך 100 באתר Metacritic (על פי 40 ביקורות). האלבום מסווג כרוק ניסיוני ואלקטרוני.
האלבום היה מסובך מדי לביצוע בסיבובי הופעות עבור חברי הלהקה והם החליטו לצרף מתופף נוסף ללהקה, קלייב דימר, שמנגן איתם בהופעות.
ב-12 ביוני 2012, רדיוהד עמדה להופיע בפארק דאונסוויו, טורונטו, קנדה. כשעה לפני פתיחת השערים הבמה קרסה, מה שגרם למותו של סקוט ג'ונסון, טכנאי תופים, ולפציעתם של שלושה אנשים. בשנים שלאחר מכן המקרה הגיע לבית המשפט הקנדי, שהאשים את חברת לייב ניישן אנטרטיינמנט, מהנדס ועוד שתי חברות, אך האשמות בוטלו לאחר שעברו מספר שנים ללא החלטה בתיק.
2012-2014: הפסקה נוספת.
לאחר יציאתו של The King of Limbs, ולאחר שחברי הלהקה סיימו את סיבוב ההופעות של האלבום, הם נכנסו לתקופה נוספת של הפסקה.
הלהקה הנוספת של תום יורק, אטומס פור פיס, הוציאה בשנת 2013 את אלבום הבכורה שלה, Amok, ובשנת 2014 יורק הוציא אלבום סולו שני, Tomorrow's Modern Boxes.
ג'וני גרינווד יצר בשנים אלו פסקול לסרטים נוספים: "יער נורווגי" (עוד לפני ההפסקה), "המאסטר" ו"מידות רעות".
פיל סלוואי הוציא בשנת 2014 את אלבום הסולו השני שלו, Weatherhouse.
2014-2017: A Moon Shaped Pool ו-OKNOTOK.
בשנת 2014 הלהקה התחילה לעבוד על אלבום האולפן התשיעי. A Moon Shaped Pool יצא לאור ב-8 במאי 2016, גם הפעם דרך אתר האינטרנט של הלהקה, אבל גם דרך חנויות אינטרנטיות. ביוני 2016 האלבום הופץ גם דרך חברת תקליטים. האלבום הגיע בשיאו למקום הראשון במצעד האלבומים הבריטי, ולמקום השלישי במצעד בילבורד 200 האמריקאי.
שני הסינגלים שיצאו לא הצליחו כלל, אך בביקורות האלבום הצליח מאוד והגיע לממוצע של 88 מתוך 100 בציוני הביקורות, לפי אתר Metacritic (על פי 43 ביקורות). מסווג כאלבום ארט רוק.
בשנת 2017, לרגל ציון 20 שנים ליציאתו של OK Computer, הלהקה הוציאה גרסה חדשה של האלבום בשם OK Computer OKNOTOK 1997 2017. האלבום כולל, בנוסף לכל השירים מהאלבום המקורי, גם שלושה שירים חדשים שהושמטו מהאלבום בשנת 1997, וגרסאות כיסוי של שירים מהאלבום המקורי.
האלבום בגרסה החדשה הגיע למקום השני במצעד האלבומים הבריטי, ולמקום ה-23 במצעד בילבורד 200 האמריקאי. באתר Metacritic הגיע האלבום לממוצע ציונים מושלם של 100.
2017 ועד היום: עבודות סולו נוספות.
בשנת 2018 ג'וני גרינווד יצר פסקול לשני סרטים נוספים, "חוטים נסתרים" ו"יום נפלא". בשנת 2019 תום יורק הוציא את אלבום הסולו השלישי שלו, Anima.
ביוני 2019 הודלפו לרשת מספר שעות הקלטה מהאלבום OK Computer. הלהקה, בתגובה, הוציאה באתר שלה את האלבום MiniDiscs (Hacked) לרכישה, הכולל את 16 שעות ההקלטה שהודלפו.
בדצמבר 2019 הלהקה העלתה את כל הדיסקוגרפיה שלה לאתר יוטיוב. ב-19 בינואר 2020 הלהקה הקימה את "Radiohead Public Library", ארכיון אינטרנטי הכולל הופעות מלאות (כולל מישראל), סרטוני מוזיקה, הופעות בטלוויזיה, כתבות מעיתונים, גרסאות ישנות של האתר שלהם, והסרט התיעודי על הלהקה Meeting People Is Easy.
בנוסף, בשנת 2019 הלהקה נכנסה להיכל התהילה של הרוק אנד רול.
באוגוסט 2021, הוציאה הלהקה את הסינגל "If You Say the Word" מתוך אלבום אוסף בשם Kid A Mnesia.
הישגים ופרסים.
עד שנת 2011, הלהקה מכרה למעלה מ-30 מיליון עותקים של האלבומים שלה. כמו כן, אלבומי הלהקה זכו בארבעה פרסי אייבור נובלו ושישה פרסי גראמי: שלושה מהפרסים ניתנו ללהקה על הישגיה המוזיקליים, שניים מהפרסים ניתנו על עיצוב עטיפות האלבומים לסטנלי דונווד, ופרס אחד ניתן על עיבוד מוזיקלי של אלבום למפיק המוזיקלי נייג'ל גודריץ' וטכנאי הקול דארל ת'ורפ. בנוסף, חמישה אלבומים של הלהקה היו מועמדים לפרס מרקיורי, הכי הרבה מועמדויות ללהקה אחת בהיסטוריה של הפרס.
מגזין הרולינג סטון דירג את הלהקה במקום ה-73 ברשימת 100 האמנים הגדולים בכל הזמנים, דירג חמישה אלבומים של הלהקה ברשימת 500 האלבומים הגדולים בכל הזמנים, ודירג שני שירים של הלהקה ברשימת 500 השירים הגדולים בכל הזמנים.