そして、1999年9月にNVIDIAが発表したGeForce 256の登場と、MicrosoftによるDirectX 7での3D描画機能サポートの大幅強化により、それまでトップパフォーマンス・メーカーであった3dfxの斜陽が明確化する。GeForce 256はDirectX 6世代までのものとは次元の異なる機能・性能を備えた新世代のグラフィックチップであり、ハードウェアT&L機能をはじめ画期的な新機能が数多く盛り込まれていた。このGeForce 256はDirectX 7で機能強化されたDirect3Dでの描画において、Voodoo3とGlideの組み合わせに匹敵する、ゲームによってはVoodoo3を引き離す性能を叩き出した。このため、Voodoo3とGlideの優位性が大きく揺らぐようになった。ことに、3D描画=全画面モード動作を事実上意味していたGlide環境とは異なり、デスクトップ上に表示されたウィンドウ上での3D描画を当然にサポートしていたDirect3Dの機能強化は、ゲームを楽しむユーザーに対するプレイスタイルについての新しい提案を含んでいた。それまでも3dfx製品のみでしか使えないGlideから、汎用性の高いOpenGLやDirect3Dへ流れる動きはあったが、16bitカラーレンダリングでのVoodoo+Glideのパフォーマンスに対抗するのに十分な性能の製品が他に存在しないという点がその妨げとなっていた。それゆえ、高解像度24bit/32bitカラーレンダリングの下でなお、Voodoo3＋Glideに対抗しうる性能を発揮するGeForce 256の登場は、その障壁を一気に取り除いてしまったのである。これに対抗すべく、GeForce 256登場からわずか2ヵ月後の1999年11月開催のCOMDEX/Fall'99において、3dfxは次世代製品としてVSA-100を搭載したVoodoo4、Voodoo5の発売を発表した。VSA-100はGeForce 256で注目を集めたハードウェアT&L機能はサポートしないものの、32bitカラーレンダリングをサポート、ハードウェアによるフルシーンアンチエイリアス (FSAA) 機能などの画質向上に効果の大きい新機能を多数搭載し、SLI接続による複数搭載を前提とした画期的なグラフィックチップであった。Voodoo4はVSA-100チップを1基、Voodoo5はVSA-100を2基ないしは4基搭載し、Voodoo5はこれらVSA-100をカード上でSLI接続することでスケーラブルな性能向上を実現することを目指したもので、スペックシート通りの性能を発揮できるのであればGeForceを遥かに上回る性能を持つ、ゲーマーにとって福音となりうるものであった。だが、1998年の経営路線変更のゴタゴタからVoodoo4、Voodoo5の開発は大幅に遅れて発売のめどはまるで立たず、衝撃的かつ極めて市場競争力の高いライバル製品が出現しシェアを伸ばしているのに、3dfxは相も変わらずVoodoo3を販売し続けていた。しかし、3Dゲーム開発は確実により高性能であるGeForce 256+DirectX 7をメインターゲットとするようになってきており、ハードウェアT&L機能を持たず16bitカラーレンダリングにしか対応しない旧世代のVoodoo3+Glideでは対応できないゲームが登場するのは時間の問題であった。さらに、この時点でいまだ発売の目処すら立たなかったVSA-100自体にも問題があった。その3D描画性能は突出していたものの、製造プロセスが同世代の他社製チップと比較して明らかに旧式で、トランジスタ数の割に消費電力が過大である、という問題があった。これは上位機種ほど搭載されるVSA-100の数が増えるVoodoo5では特に深刻な問題で、補助電源入力を別途カードに搭載せねばならず、また競合他社の製品と比較して明らかに大きな発熱にも悩まされることとなった。とはいえ、これでももし発売予告どおりにVoodoo4・Voodoo5が発売されていたならば、それらの性能面と人気から3dfxの返り咲きは不可能ではなかったが、現実には発売のアナウンスばかりで発売の目処はまるで立たなかった。Voodooのブランド力はこの時期でも絶大であったが、世界中の3Dゲーマーは発売延期のアナウンスの繰り返しばかりに失望し、3dfxの信用も地に落ちた。一方でNVIDIAはセールス・開発に積極的に動き、アジアメーカーの安価なビデオカードに採用されることでGeForceの価格も下がり、低価格な上に高性能なチップとユーザーの評価とシェアが磐石になりつつあった。2000年4月にはGeForce 256を基本としつつテクスチャ処理などを大幅に強化したGeForce2 GTSが登場。3dfxの新チップVSA-100を2基搭載したVoodoo5 5500は発売が大きく遅れ、2000年の6月にようやく登場し、当時のベンチマークテストなどでNVIDIAのGeForce2 GTS以上の性能を発揮した。Voodoo5は当時としては画期的な新技術が搭載された豪華なカードではあったが、出る時期があまりに遅すぎ、もはやGeForce2 GTSに対して若干優れてはいても、それほどの性能差の違いはなく、優位を完全に取り戻すことはできなかった。しかも、2000年8月にはNVIDIAがGeForce2 GTSをより高クロックでの動作に対応させたGeForce2 Ultraを発表、同年10月には製品が出回り始め、GeForce2 GTS比で20パーセント前後の性能向上を達成、Voodooを再び引き離し始めた。実際に発売されたVoodoo5は扱いの困難なフルサイズPCIカードであり、ミドルタワー以上のケースでなければ搭載が難しいという難点を抱えていた。さらに、搭載されたVSA-100は先述の通り旧式な製造プロセスを採用した結果、発熱が非常に激しく適切なエアフローが確保されたケースでなければしばしば熱暴走を起こす、拡張スロットからの給電では必要な消費電力をまかなえず、別途外部電源接続をしなくてはならないなど、パワフルな性能にこだわるあまり、この時期の市場におけるPCの小型化志向、エコな省電力性、ユーザーの利便性、製品の普及性や製造コストなどからは完全に時代に逆行するようなカードになってしまっていた。コンパクトで十分に高性能、かつ気軽に使えるGeForce2 GTSやGeForce2 Ultraに比べ、余程のヘビーユーザーでもなければ購入を躊躇するような商品だったのである。VSA-100を1基搭載した低価格帯向けのVoodoo4 4500は2000年9月にようやく発売されたが、すでにパフォーマンス市場・メインストリーム市場ともにGeForceシリーズが完全にシェアを抑え、普及していた。また、この時期にはATIもGeForceシリーズ対抗としてハードウェアT&LをサポートしたRadeonシリーズの第一世代製品 (Radeon 256) を市場に投入し始めており、GeForceシリーズに先行して製造プロセスの微細化を実現し、そうした集積度の向上を背景とした高いチップ性能と低廉な販売価格で高い評価を獲得しつつあった。半導体業界のアナリストの中には1999年のクリスマス商戦までにVoodoo5を投入できなかった時点ですでに企業としての3dfxの運命は決まっていたと見る者もいる。かつて3dfxのVoodooチップを購入していたビデオカードメーカー各社も、Voodoo3時代の3dfxのチップ供給停止の際にNVIDIAやATI製のチップへ自社グラフィックカード製品の搭載チップを切り替えており、世界中のビデオカードメーカーがGeForceやRadeonを普及させることとなり、市場競争で価格が下がり機能や性能が急速に向上してゆく中で、高価な自社ブランドの新製品を出しても取り残された感は否めなかった。2000年11月には工場も売却。ハイエンドモデルとして計画されていた、VSA-100を4つ搭載するVoodoo5 6500 AGP (Voodoo6ともVoodoo5 6000とも呼ばれる) の発売がないまま、2000年12月にはついにグラフィックスに関連する資産をNVIDIAに売却し、解散することになった。NVIDIAによる3dfxの買収は2001年9月に完了している。ちなみに解散以前はNVIDIAと3dfxはお互いを特許侵害していると訴えあっていたのだがこの買収をもって和解が成立している。なお、その後NVIDIAが2002年11月に発表したGeForce FXシリーズは、名前のFXからもわかるように吸収された3dfx開発チームが開発したものである。GeForce FXシリーズもまた、GeForce FX 5800 Ultraなどの上位機種で極端な高発熱に悩まされ、その対策として採用された冷却システムが後日当のNVIDIA自身による自虐ネタの対象となるなど、決して成功作とは言えなかった。だが、同シリーズで取り込まれたVoodooシリーズに由来する技術の多くは現在もなお定番の技術として普及し、広く採用され続けている。