Alpha 21364 の開発においては、メモリ性能とマルチプロセッサのスケーラビリティの向上に重点を置いていた。メモリ性能を重視していたことは、Microprocessor Report 誌でAlphaアーキテクチャのチーフアーキテクトだったリチャード・L・サイツが書いた "It's the Memory, Stupid!" と題したコラムに現れている。そのコラムは「次の10年間、メモリサブシステムの設計がマイクロプロセッサの唯一の重要な設計課題となるだろう」という一文で結ばれていた。
1998年10月、コンパックが Microprocessor Forum で発表したもので、Alpha 21264 に1.5MBの6ウェイ・セットアソシアティブの二次キャッシュと Direct Rambus DRAM メモリコントローラと他のマイクロプロセッサと接続するためのネットワークコントローラを内蔵させたものと説明された。21264コアへの変更点としては、ビクティム・バッファを4倍の32エントリとし、命令キャッシュとデータキャッシュそれぞれに16エントリずつとした。Microprocessor Report 誌には、分岐予測の実装を若干変更して予測精度を上げ、誤予測時に使用するミスバッファの容量を21264の8エントリから16エントリへと倍増させる予定だという記事が掲載された。1999年後半にテープアウトする予定で、2000年前半にサンプル出荷、2000年後半に量産出荷を予定していた。しかしスケジュールは遅延し、テープアウトは2001年4月となった。21364を採用したシステムが登場したのは2002年1月20日のことである。動作周波数は1.25GHzだが、AlphaServer ES47/ES80/GS1280 では1.0GHzおよび1.15GHzで駆動していた。それまでの Alpha マイクロプロセッサとは異なり、Alpha 21364 は一般市場で販売されなかった。Alpha 21364 というモデル番号は元々は Alpha 21264 の後継を意図し、EV8 というコード名で、4ウェイの同時マルチスレッディング (SMT) を実装する予定だった。このEV8は1999年10月の Microprocessor Forum で発表されたが、開発がだいぶ進んだ2001年6月25日に中止となった。
は開幕前にロビンソンがシーズン終了後の引退を表明、本拠地もアラモドームからSBCセンター（現AT&Tセンター）に移した。2年目のトニー・パーカー、新加入のエマヌエル・ジノビリやスティーブン・ジャクソン、ダニー・フェリー、ブルース・ボウエン、スティーブ・カー、スティーブ・スミスなど多くのシューターが前回優勝時のメンバーに代わって活躍した。インサイドのダンカンとロビンソンに加えて外からのシュート力も武器となって60勝22敗でプレイオフに進出、プレーオフではカンファレンス準決勝で仇敵レイカーズを破ると、カンファレンス決勝ではポポビッチの元上司であるドン・ネルソン率いるノビツキー、フィンリー＆ナッシュのダラス・マーベリックスを退け、4シーズンぶりにファイナルに進出。司令塔ジェイソン・キッドに牽引され2年連続ファイナル進出のニュージャージー・ネッツを4勝2敗で降し、ポポヴィッチ指揮の下2度目の優勝を遂げた。「ロックアウトの短縮シーズンでたまたま優勝しただけのチーム」という悪評を見事に覆し黄金時代を築いていく。は、レギュラーシーズンを7割近い勝率で乗り切り、プレーオフへ進んだ。1st.ラウンドはグリズリーズを難なくスイープで下したが、カンファレンス準決勝でシャック＆コービーの時代最後のシーズンとなり、何としてもチャンピオンリングを取りたいベテランのカール・マローン、ゲイリー・ペイトンと大物二人を加え「史上最強のチーム」とも呼ばれたロサンゼルス・レイカーズと対戦し、2勝0敗とリードしたものの、その後4連敗を喫して敗れた。この敗北でチームは大幅な改造をすることとなり、ブレント・バリー、ナジー・モハメド、グレン・ロビンソンを獲得した。このシーズンから、基本に忠実ではあるが、圧倒的な支配力を見せるプレースタイルからビッグ・ファンダメンタル(The Big Fundamental)の愛称を得たティム・ダンカンを中心としたチーム構築が始まる。は、新球団の新設に伴いリーグが再編成され、2カンファレンス4デビジョン制から2カンファレンス6ディヴィジョン制となり、スパーズはミッドウエスト・デビジョンから現在の、サウスウエスト・デビジョン所属となり開幕した。4年目パーカーが平均16.6得点、3年目のジノビリが平均16.0得点と、ダンカンの平均20.3得点に加わり、チームの主力としてビッグスリー誕生のシーズンと言える。大黒柱のティム・ダンカンとパーカー、ジノビリに牽引されたチームは、ウェスタンカンファレンス2位の59勝23敗でプレイオフに進出した。デンバー・ナゲッツ、シアトル・スーパーソニックス、スティーブ・ナッシュの活躍で一躍優勝候補に躍り出たフェニックス・サンズを下し、NBAファイナルへと進んだ。イースタン・カンファレンスを制して、2連覇に挑んだデトロイト・ピストンズを接戦の末4勝3敗で破り、2年ぶりの王座奪還、3度目の優勝を果たした。ファイナルMVPには大黒柱のティム・ダンカン（プレーオフ平均23.6得点、12.4リバウンド、2.7アシスト、2.3ブロック）が選ばれた。は、オフに獲得したベテラン、マイケル・フィンリーの活躍や、パーカーが、苦手だったロングレンジからのシュートを封印し、得意のペネトレイトからの得点に、より磨きをかけ、フィールドゴール成功率が急上昇し、PGとしては異例の54.8%を記録したことで、故障を抱え不調だったダンカン、ジノビリに代わりチームのリーディングスコアラーとして活躍し、スパーズはチーム記録となる63勝19敗の成績を残した。ウェスタンカンファレンス第1シードでプレイオフに臨み、一回戦ではキングスを危なげなく下し、カンファレンス準決勝で、かつてスパーズに所属し、ポポビッチの下で優勝を経験したエイブリー・ジョンソンがヘッドコーチのダラス・マーベリックスとの対決となった。このライバル対決は白熱したものとなり、ノヴィツキーとダンカンのエース対決も大いに盛り上がった。最終戦までもつれ、迎えた第7戦、試合終盤でスパーズは3点リードしていた。しかしノヴィツキーが巨体を躍らせながらゴール下に切み執念のダンクを決め、さらにジノビリからファウルを引き出し、ボーナススローも決めた。土壇場で追い付かれたスパーズは、オーバータイムで力尽きシーズンを終えた。