בעונת 2003/2004 הקבוצה שיחקה כדורסל טוב והגיעה למקום השני בליגה הסדירה, לאחר ניצחון בסדרת ההצלבה 0–3 על גליל עליון בסדרת הטוב מחמש היא הגיעה לבית הגמר וסיימה שם במקום השני, דבר שהקנה לה את המקום בסדרת גמר הפלייאוף מול מכבי תל אביב, אולם היא הובסה בשלושת המשחקים. הקבוצה הצליחה להעפיל לפיינל פור של היורופליג בעונת 2003/2004, וסיימה בו במקום השלישי. היא הגיעה גם לחצי גמר גביע המדינה והפסידה להפועל ירושלים.
בעונת 2004/2005 הפועל הייתה ללא רוב שחקני הסגל מהעונה הקודמת אך למרות זאת היא הפתיעה, היא סיימה במקום החמישי בעונה הסדירה, ניצחה בסדרת ההצלבה את הפועל ירושלים 1–3 ללא יתרון ביתיות, וסיימה במקום השני בבית הגמר, וכמו בשנה שעברה, גם הפעם היא הובסה בשלושה משחקים למכבי תל אביב.
ב-2005 החליטה הנהלת הקבוצה להעביר את משחקי הבית ליד אליהו, אולמה הביתי של היריבה העירונית מכבי, על מנת למשוך קהל גדול יותר למשחקים ובעקבות מחלוקת עם משטרת ישראל על תנאי הבטיחות באוסישקין. אוהדי הקבוצה התנגדו למהלך זה כיוון שלא רצו לראות אותה משחקת באולם המזוהה עם יריבתם הגדולה ביותר, והודיעו כי אין בכוונתם להגיע למשחקים כל עוד הם ייערכו ביד אליהו. מנגד, טענה ההנהלה כי אוהדים מסורים יבואו למשחקים ללא קשר לאולם שבו הם נערכים.
בעלי הקבוצה שאול אייזנברג החליט לא להירשם לליגת העל לקראת עונת 2006/2007, ובמקום זאת שיחקה הפועל בליגה הלאומית בעונת 2006/2007. הוא העביר את הניהול למעוזיה סגל ששימש כיו"ר הקבוצה. הקבוצה ניצחה בפעם הראשונה רק במחזור השישי. ב-27 בנובמבר 2006 הוכרז סכסוך עבודה בין השחקנים להנהלה בגין אי תשלום משכורות, אך הנושא נפתר תוך זמן קצר. הקבוצה אומנם לא שיחקה היטב ובסיום העונה ירדה לליגה הארצית מהמקום האחרון אך ניצלה מפירוק.
הפועל אוסישקין.
בשנת 2007, אוהדי הקבוצה החליטו להקים את "הפועל אוסישקין", קבוצה המנוהלת על ידי אוהדיה, כמחאה על חוסר הפעילות של ההנהלה נגד החלטת עיריית תל אביב להרוס את אולם אוסישקין. הקבוצה החדשה נרשמה למחוז דן של ליגה ב' ב-25 ביוני 2007, ועלתה לליגה א' כבר בעונתה הראשונה, לאחר שסיימה את העונה ללא הפסד. במשחק העלייה, שנערך באולם הדר יוסף לעיני 1,000 צופים, גברה הקבוצה על הפועל ארזים בתוצאה 73:28. מאמנה הראשון של הפועל אוסישקין היה אורי שלף, שמונה לאחר מכן למנהל הקבוצה.
בעונה שלאחר מכן עלתה הקבוצה לליגה הארצית. בסיום עונת 2009/2010 סיימה הפועל אוסישקין את משחקי הליגה הארצית (מחוז צפון) במקום הראשון, וכך הבטיחה את עלייתה לליגה הלאומית – עלייה שלישית ברציפות בשלוש עונות, ללא הפסדי ליגה. כמו כן, זכתה הקבוצה בשלושה גביעי איגוד. בשתי העונות הראשונות לקיומה (2008–2009) נבחר טוהר חיימוביץ' לשחקן המצטיין של העונה, ובעונתה השלישית לקיומה (2010) נבחר מתן נאור לשחקן המצטיין של העונה.
האיחוד עם עמותת האוהדים.
בעקבות התפרקות קבוצת הכדורסל "הפועל תל אביב" בדצמבר 2009, הועברו הזכויות על הקבוצה אל אדם אנונימי (אשר טען כי הוא אוהד הפועל תל אביב ומבקש להישאר אנונימי), אשר העניק להפועל אוסישקין את הזכות לשימוש בשם "הפועל תל אביב" וקבלת התארים של הקבוצה שהתפרקה, ללא תמורה. בסיום עונת 2009/2010 החליטה עמותת "הפועל אוסישקין" לשנות את שם העמותה ל"הפועל אוסישקין תל אביב" ולשנות את שם קבוצת הכדורסל ל"הפועל תל אביב". בכך חזרה הקבוצה לפעילות באופן רשמי.
בעונת 2010/2011 הקבוצה הגיעה עד חצי גמר גביע המדינה בכדורסל. במאי הפועל העפילה לגמר הפלייאוף של הליגה הלאומית, אך יחד עם פציעה של מתן נאור, והתאוששותו מפציעה של שחקן המפתח אדריאן יוטר, הפסידה בסדרת הגמר למכבי הבקעה 3:0, ולא העפילה לליגת העל.
לקראת עונת 2011/2012 נעשו מספר שינויים בקבוצה, החשוב שבהם מינוי ארז אדלשטיין למאמן. כמו כן, הובאו שחקנים צעירים רבים, ולמעט מתן נאור (שמונה לקפטן הקבוצה) וגל איתן, כל הסגל הוחלף. כמו כן, במהלך פגרת הקיץ, הוצע לקבוצה לעלות לליגת העל תמורת תשלום, וחברי העמותה הצביעו ברוב מוחץ (95%) נגד עליית ליגה "שלא על המגרש". במהלך העונה השתתפה הפועל תל אביב בליגה הבלקנית, ואף העפילה לפיינל פור הליגה, שם נוצחה בחצי הגמר על ידי הפועל גלבוע/גליל. במסגרת גביע המדינה, לא הצליחה הקבוצה לשחזר את הישגיה מהעונה הקודמת, אך בכל זאת גברה על הפועל גלבוע/גליל בשמינית הגמר (והפסידה למכבי ראשון לציון ברבע הגמר). את הליגה הסדירה סיימה הפועל תל אביב במקום הראשון, ובסדרות הפלייאוף שיחקה מול עירוני ר"ג ברבע הגמר (2:0 להפועל, הטוב משלושה משחקים), מול עירוני נס ציונה בחצי הגמר (2:1, הטוב משלושה משחקים) וזכתה באליפות הליגה הלאומית, לאחר ניצחון על מכבי באר יעקב בסדרת הגמר (3:1, הטוב מחמישה משחקים) – ובכך הבטיחה את עלייתה לליגת העל, לאחר שש שנים של היעדרות מהליגה הבכירה בארץ.
הפועל תל אביב הייתה לקבוצת האוהדים הראשונה בספורט הישראלי בכלל ובכדורסל בפרט שמשחקת בליגה הבכירה. היא פתחה את העונה בהפסד ביתי לבני הרצליה, אך סדרת ניצחונות חוץ לאורך העונה-בין היתר מול הפועל ירושלים, מכבי ראשון לציון, ומכבי חיפה – שמרה את הפועל מרוחקת מהתחתית במרבית העונה. רגע השיא של העונה הגיע ב-3 במרץ 2013, עת ניצחה הפועל תל אביב את מכבי תל אביב במשחק בית בתוצאה של 69:65 לאחר תשע שנים ללא ניצחון בדרבי. הפועל סיימה את העונה במקום השמיני בליגה (מקום שני בבית התחתון), והעפילה לפלייאוף בו הפסידה בתוצאה 3:0 ליריבתה העירונית. בסיום העונה נבחר שחקן הקבוצה ומי שהובילה לסנסציה בדרבי, בר טימור, בתואר תגלית העונה של השנה. בגביע הפסידה בסיבוב השני לקבוצת מכבי אשדוד בחוץ.
ב-27 ביוני 2014 מונה עודד קטש לתפקיד מאמן הקבוצה לשלוש שנים. ב-4 בינואר 2015 ערכה הפועל תל אביב את משחקה הראשון בהיכל קבוצת שלמה, בו ניצחה את הפועל ירושלים 67:81.
ב-3 בנובמבר 2015, יום לאחר ההפסד לעירוני נהריה, פוטר קטש והחליף אותו עוזרו שרון אברהמי, שהוליך את הקבוצה להפסד 2–3 להפועל ירושלים בסדרת רבע גמר הפלייאוף, בניצוחו של נייט רובינסון. בעונת 2016/2017 פוטר אברהמי מתפקידו והוחלף ברמי הדר, שעבר ממכבי תל אביב. הקבוצה הפסידה בעשרה משחקים וניצחה רק בשבעה, מה שהוביל לפיטוריו של רמי הדר, והחלפתו ברועי חגאי עד סיום העונה. ביוני 2017 הפועל מינתה את דני פרנקו למאמנה.
ביוני 2018 הבטיחה לראשונה השתתפות בפיינל פור הישראלי לאחר ניצחון 3:1 בסדרה מול מכבי אשדוד. בחצי גמר הפיינל פור פגשה את מכבי תל אביב שהביסה אותה
98:74, ובסופו של דבר גם זכתה באליפות.
במאי 2019 העפילה הפועל לפלייאוף מהמקום השמיני ושוב הודחה מול מכבי תל אביב 0–3 בסדרת רבע גמר הפלייאוף.
בעונת 2019/20 שוב סיימה במקום השמיני ושוב הודחה ברבע הגמר בתוצאה 1:2 מול מכבי תל אביב.
בעונת 2020/21 הייתה עונה לא פשוטה לקבוצה הקבוצה סיימה במקום עשירי בלבד ולאחר שלוש עונות לא הייתה בפלייאוף.
עונת 2021/22 נחשבה מוצלחת, במהלכה ניצחה ארבעה משחקי דרבי לראשונה בהיסטוריה של הקבוצה. לגמר הגביע העפילה הקבוצה לראשונה מאז 1994 לאחר ניצחון על מכבי תל אביב בחצי הגמר והפסידה לבני הרצליה. עקב פציעות של שחקניה סיימה הקבוצה את הליגה במקום השביעי, ובפלייאוף הודחה בשלב רבע הגמר מול מכבי תל אביב, בתוצאה 1:3.
היריבות העירונית עם מכבי תל אביב.
לאורך שנים רבות היו הפועל ומכבי תל אביב שתי הקבוצות הבכירות בכדורסל הישראלי. משחקי הדרבי ביניהן נחשבו למתוחים מאוד, ושתי הקבוצות נאבקו רבות במסגרת גמר גביע המדינה או המשחקים המכריעים על האליפות. היריבות העזה בין שתי הקבוצות אף גלשה לעיתים למעשי אלימות מילולית ופיזית. יריבות זו הגיעה לשיאה בשנות ה-80.
עם ביסוס מעמדה של מכבי כאלופה הקבועה של ישראל החלו האשמות מצד אוהדי הפועל על כך שלמכבי יש השפעה לא הוגנת על השופטים, החתמת שחקנים יריבים על חוזה במהלך העונה, ופעולות שונות שנועדו לקדם אותה ביחס לקבוצות אחרות.
סמל המועדון.
סמל תנועת הפועל נבחר ב-15 במאי 1926, בצריף של הנוער העובד ברחוב קינג ג'ורג' בתל אביב (בשטח בו שוכן בימינו גן מאיר), עת נערך במקום כינוס מועצת הייסוד להקמת התאגדות הפועל והוחלט על חידוש פעולתו של מועדון הפועל תל אביב. בכינוס נבחרה סיסמת התנועה "בריאות העובד ערובה לניצחונו", ונקבע כי הסמל ישלב בין דמות של ספורטאי ההודף באגרופו את היריב לבין הפטיש והמגל, סמל הקומוניזם המייצג את מעמד הפועלים (פועלי התעשייה מיוצגים באמצעות הפטיש והחקלאים באמצעות המגל). הצבע שנבחר הן לסמל והן למדי הקבוצה הוא הצבע האדום, שאף הוא מזוהה עם השמאל ונחשב למייצג את תנועת הפועלים ומבטא את ההשקפה כי כל בני האדם שווים ואותו דם זורם בעורקיהם.
ב-1935 הוקם מועדון הכדורסל של הפועל תל אביב ובתחילה אימץ המועדון את סמל התנועה. בהמשך הוסף הכיתוב "תל אביב" מתחת לסמל על מנת לבדל אותה מקבוצות הפועל אחרות.
ב-2003 המועדון שינה את הסמל והכניס בו את הספונסר דאז חברת "SAMSUNG" ישראל. ב-2005 סיימה הקבוצה את ההתקשורות עם הספונסר והסירה את שמו מהסמל. בין השנים 2007–2011 המועדון המקורי התדרדר וקמה קבוצת האוהדים "הפועל אוסישקין תל אביב", בהמשך לאחר התפרקות המועדון המקורי, לקחה קבוצת האוהדים את סמלה ושמו הרשמי של המועדון הישן. בהמשך ומאז שנת 2017, כחלק ממהלך שיווקי נוהגת הנהלת הקבוצה להוסיף לסמלה בכל עונה משפט משיר אוהדים, הנבחר על ידי חברי העמותה, על מנת לייצג את העובדה ש"עמותת הפועל אוסישקין תל אביב" שהיא בעצם אוהדי הקבוצה היא חלק מהבעלים ומחוברים אליה יותר מכולם.