במהלך שנת 2003, על רקע המצב הביטחוני והכלכלי הקשה בישראל, במערכת הבחירות לכנסת ה-16 השיגה מפלגת הליכוד בראשותו של שרון ניצחון ברוב מוחץ. הבחירות הביאו להודנה ולוועידת עקבה בקיץ 2003 שבה התקבלה מפת הדרכים. בעקבות קבלת מפת הדרכים הוקם גוף מתווך בינלאומי בשם הקוורטט לענייני המזרח התיכון אשר מיוצג על ידי ציר מיוחד המורכב מארצות הברית, רוסיה, האיחוד האירופי והאו"ם.
ב-19 במרץ 2003 מינה ערפאת את אבו מאזן (מחמוד עבאס) לראש הממשלה הראשון של הרשות הפלסטינית בעקבות לחץ של ישראל וארצות הברית. במהלך תקופת כהונתו של אבו מאזן התנהלו מאבקי כוח בינו לבין ערפאת אשר סירב להעביר לידיו את השליטה בכוחות הביטחון הפלסטינים. בעקבות כך, באוקטובר 2003 התפטר אבן מאזן מתפקידו. בראיון שנתן כשנה לאחר התפטרותו נימק את התפטרותו בהיעדר שיתוף פעולה מצד ממשלת ישראל והממשל האמריקני וכן בהסתה פרועה שהתנהלה נגדו ברחוב הפלסטיני.
בסוף שנת 2003, הודיע שרון על כוונתו לבצע נסיגה חד צדדית מיישובי גוש קטיף וצפון השומרון ללא כל הסכם, וזאת במטרה להסיר את מוקדי החיכוך העיקריים בין האוכלוסייה היהודית לאוכלוסייה הערבית. התוכנית קיבלה את השם "תוכנית ההתנתקות". תוכניתו השנוייה במחלוקת עמדה בסתירה לאידאולוגיה אותה ייצג אריאל שרון בהתלהבות לאורך כל הקריירה הפוליטית שלו ושעל בסיסה נבחר בבחירות. תוכנית ההתנתקות התקבלה בהתנגדות חריפה מהימין, אף שבשמאל, לאחר הסתייגות ראשונית, זכה לתמיכה כמעט גורפת. במקביל להעלאת רעיון ההתנתקות, המשיך שרון בקו קשוח ולוחמני כנגד הטרור, והורה, בין היתר, על חיסולם של מנהיגי החמאס, אחמד יאסין ואחריו עבד אל-עזיז רנטיסי. מדיניות הסיכולים הממוקדים פגעה קשה בתשתית ההנהגתית והצבאית של חמאס. בשנת 2004 חוסלו רוב המהנדסים הבכירים של ארגון החמאס ופעילים בכירים בתעשיית הקסאם. פגיעות קשות אלה הביאו להחלשה בכוחו של ארגון חמאס לבצע פיגועי התאבדות בשטח ישראל, והוא הגיב בהגברת ירי הרקטות לעבר יישובי גוש קטיף ושדרות.
בעקבות מותו של מנהיג אש"ף ויו"ר הרשות הפלסטינית יאסר ערפאת ב-11 בנובמבר 2004, נבחר בינואר 2005 נציג הפת"ח מחמוד עבאס לתפקיד יושב ראש הרשות הפלסטינית. אחד מההאשמות העיקריות שהועלתה נגד הרשות הפלסטינית לאחר מותו של ערפאת, גרסה כי ערפאת ובכירים בארגון הפת"ח קיבלו לאורך השנים מיליארדי דולרים במסגרת הסיוע הכספי אשר הועבר לידם ממדינות וארגונים זרים כאשר מעולם לא נעשה שימוש בכספים הללו לצורך פיתוח החברה הפלסטינית. הועלו באותה העת טענות כי הכסף שימש כביכול עבור הוצאותיו האישיות של ערפאת. ההאשמות הללו החלו להתגבר באופן הדרגתי וכתוצאה מכך החלה להתעצם תמיכת הציבור הפלסטיני בארגון החמאס, אשר לעיתים קרובות נתפס על ידי הציבור הפלסטיני כהגון יותר וכיעיל יותר, בעיקר משום שהוא הקים מוסדות ושירותים סוציאליים שונים עבור הציבור הפלסטיני. ארגון החמאס הצהיר גם באופן מפורש כי הוא לא מכיר בזכות קיומה של מדינת ישראל, ולא מכיר בתהליך אוסלו או כל תהליך שלום אחר עם ישראל. כמו כן, ארגון החמאס הצהיר בגלוי כי הוא עודד וארגן פעולות טרור ופיגועים רבים נגד ישראלים לאורך השנים. התחזקות ארגון החמאס בקרב הציבור הפלסטיני, ההתפוררות ההדרגתית של הרשות הפלסטינית וארגון הפת"ח, תוכנית ההתנתקות הישראלית ובעיקר מותו של יאסר ערפאת הביאו לשינוי המדיניות של תנועת החמאס, אשר בתחילת שנת 2005 החלה לשים דגש רב יותר על מאפייניה הפוליטיים של התנועה.
באוגוסט 2005 בוצעה תוכנית ההתנתקות במהלכה פינתה ישראל באופן חד צדדי את כל ההתנחלויות הישראליות ומחנות צה"ל מרצועת עזה וכן ארבע התנחלויות מבודדות בצפון השומרון אף על פי שהשליטה על מעברי הגבול של רצועת עזה עם מצרים וכמו גם השליטה הבלעדית במרחב האווירי והימי של רצועת עזה נשארו בידי ישראל. לאחר הנסיגה, העיר שדרות ושאר היישובים הישראליים הסמוכים לרצועת עזה הפכו למטרות קבועות להפגזות של טילי קסאם וטילי מרגמה אשר נורו מאזור רצועת עזה.
2005 – היום: התעצמות החמאס.
בבחירות שנערכו ב-25 בינואר 2006 למועצה המחוקקת הפלסטינית ניצח ארגון החמאס. בעקבות כך, ארצות הברית ומדינות אירופיות שונות הפסיקו את כל הזרמות הכספים לחמאס ולרשות הפלסטינית, כאשר הם עמדו על כך שארגון החמאס חייב יהיה להכיר בקיומה של ישראל, לנטוש את השימוש באלימות ולהכיר בהסכמי השלום אשר הושגו בעבר. ישראל סירבה לקיים משא ומתן עם ארגון החמאס, שכן ארגון החמאס לא נטש את האמונה לפיה לישראל אין זכות קיום וכי כל מדינת ישראל היא כיבוש בלתי חוקי ולכן יש להשמידה. מדינות האיחוד האירופי וארצות הברית איימו בחרם כלכלי על הרשות הפלסטינית במקרה שהחמאס לא יכיר בקיומה של ישראל, לא יתנער מהתמיכה בטרור ולא יכיר בהסכמי השלום שנחתמו בין אש"ף לישראל בעבר. חמאס סירבה לתנאים אלו, והאיחוד האירופי החליט על אי מתן תרומות ישירות לרשות הפלסטינית עד שתעמוד בהן. ארגון החמאס ציין בגלוי כי הוא איננו מכיר בזכותה קיומה של ישראל, אף על פי שהארגון הביע פתיחות לביצוע הודנה או הפסקת אש ארוכת טווח. ארגון החמאס נחשב על ידי ישראל ועל ידי מדינות רבות אחרות לארגון טרור ולכן איננו רשאי להשתתף בהליך משא ומתן רשמי.
ביוני 2006 במהלך מבצע מתוכנן היטב של החמאס, הצליחו פעילי ארגון החמאס לעבור את הגבול בין ישראל לרצועת עזה, להתקיף טנקים ישראלים, להרוג שני חיילי צה"ל ולחטוף את החייל הישראלי גלעד שליט חזרה איתם אל תוך רצועת עזה. בעקבות אירוע זה ובתגובה לירי המתמשך של רקטות על ידי ארגון החמאס מרצועת עזה על היישובים הישראלים בחלקה הדרומי של ישראל, פרץ עימות בין ארגון חמאס לבין ישראל באזור רצועת עזה (ראו מבצע גשמי קיץ).
ניצחון החמאס הוביל בהמשך עימות חמאס-פת"ח ברצועת עזה, אשר נערך בין ה-12 ביוני ל-14 ביוני 2007, במהלכו ארגון החמאס הצליח להשתלט על רצועת עזה. במהלך העימות נערכו מספר קרבות ירי בין כוחות הפת"ח לכוחות החמאס. רוב מנהיגי הפת"ח ברחו למצרים ולגדה המערבית בעוד שחלקם נלקחו בשבי וחלקם נרצחו. העימות הוביל למעשה לפיצולה של הרשות הפלסטינית לשניים, כאשר רצועת עזה נמצאת בשליטת החמאס והגדה המערבית נשארה בשליטת ארגון הפת"ח. ב-15 ביוני הכריז אבו מאזן על פירוק הממשלה הפלסטינית, על פיטורי ראש הממשלה אסמאעיל הנייה ועל מצב חירום כללי בעקבות השתלטות החמאס על הרצועה. ארגון החמאס טען בתגובה שהחלטות אבו מאזן אינן מקובלות.
בנובמבר 2007 התקיימה בארצות הברית ועידת אנאפוליס בה השתתפו בית היתר נציגי ישראל והרשות הפלסטינית. בניגוד להסכם אוסלו ולועידת ואי, ובדומה לועידת מדריד, לא היוותה ועידת אנאפוליס סיכום של משא ומתן, אלא ניסיון לפתיחתו. מטרת הוועידה הייתה לנסות להניע מחדש את תהליך השלום, ולסלול את הדרך למשא ומתן אינטנסיבי לקראת הסכם קבע ישראלי-פלסטיני. הוועידה הייתה הפעם הראשונה בה שני הצדדים הגיעו להסכמה על כך שפתרון שתי המדינות הוא הפתרון אשר יביא לקץ הסכסוך הישראלי-פלסטיני. הכנס הסתיים בהנפקת הצהרה משותפת של שני הצדדים.
הסכם הפסקת אש בן שישה חודשים אשר הושג בין החמאס לישראל פג ב-19 בדצמבר 2008. ארגון החמאס וישראל לא הגיעו להסכמה לגבי התנאים אשר יאפשרו את ההארכה של הפסקת אש. ארגון החמאס האשים את ישראל בכך שישראל לא מסירה את הסגר על רצועת עזה, ועל פשיטה ישראלית אשר נערכה ב-4 בנובמבר על מנהרה פלסטינית אשר חצתה את הגבול מן הרצועה אל תוך ישראל, אשר היווה לטענת החמאס הפרה של הפסקת אש. ישראל מצידה האשימה את החמאס בהפרה של הפסקת האש בטענה שהארגון המשיך בירי רקטות קסאם ומרגמה לעבר יישובי ישראל הסמוכים לרצועת עזה.
ירי הרקטות המתמשך לעבר יישובי עוטף עזה ומערב הנגב הביא לבסוף את ממשלת ישראל להחלטה לצאת ב-27 בדצמבר 2008 למבצע עופרת יצוקה ברצועת עזה. מטרות המבצע המוצהרות היו צימצום ירי הטילים לעבר ישראל ככל שניתן והקטנת כוחו של ארגון חמאס. המבצע היה מבצע צבאי נרחב אשר כלל התקפות מן האוויר, פעילות של חיל הים וכניסת כוחות קרקעיים. פעילות המבצע התמקדה בבסיסי החמאס, במחנות האימונים של כוחות המשטרה ובמטה ומשרדי כוחות המשטרה. התשתיות האזרחיות של תנועת החמאס ברצועת עזה, בהם מסגדים, בתים, מתקנים רפואיים ובתי ספר, הותקפו גם כן. ישראל טענה מצדה כי רבים מהמבנים הללו היו שימשו כמחסני נשק עבור כלי נשק ורקטות של טרוריסטים. לאורך העימות ארגון החמאס הגביר את ירי רקטות הקסאם והמרגמה לעבר יישובי ישראל, אשר פגעו אף בערים אליהם ירי הרקטות לא הגיע בעבר כגון באר שבע ואשדוד. המבצע אשר ערך 22 ימים זרע הרס רב ברצועת עזה, גרם לאבדות רבים בקרב פעילים בארגון החמאס, וכמו כן גרם לחיסול מספר משגרים ומחסני תחמושת רבים ברחבי רצועת עזה. בפעולה נהרגו, לפי גורמי רפואה רשמיים וארגוני זכויות אדם בעזה, כ-1,300 פלסטינים. לטענת צה"ל בפעולה נהרגו 1,166 פלסטינים, מתוכם 871 היו אנשי חמאס וארגוני טרור אחרים (חלקם בבגדים אזרחיים), וכ-300 מהם נהרגו כבר בשלב א' של המבצע (ההפצצות האוויריות). פעמים רבות נפגעו אזרחים במהלך ירי של צה"ל לעבר חמושים ששהו בלב האוכלוסייה האזרחית. לטענת הפלסטינים רוב ההרוגים היו אזרחים ורק 92 היו לוחמים של הארגונים השונים.