本格的な研究は1964年東京オリンピック後にNHK放送技術研究所で始められ、1972年（昭和47年）にはITU-R（当時はCCIR）に規格提案が行われた。1976年（昭和51年）に世界初のハイビジョン30インチモニターが完成。1980年代に入って業務用テレビカメラ、高精細ブラウン管、ビデオテープレコーダ、編集制作機器などのハイビジョン映像信号対応機器が開発され実用化の準備が整い始めた。ハイビジョンの愛称もこの頃から使用され始めている。1982年（昭和57年）5月に、世界初のハイビジョン制作番組となる「日本の美」と「HDTVのためのいろいろなイメージ」の2番組を制作。この年の大晦日には「NHK紅白歌合戦」を初めてハイビジョン収録。この時は実験の名目で収録し、1989年の第40回からは本格的にハイビジョン収録へ移行し現在に至る。1984年（昭和59年）には、デジタル技術を用いて帯域圧縮を行い、放送衛星のトランスポンダ1波の伝送帯域でアナログ放送を行うMUSE方式 (Multiple Sub-Nyquist-Sampling Encoding system) が開発され、これを用いたBS放送が1989年（平成元年）から実験放送として開始。音楽番組等に少数ながらも機材が投入されていった。更に1994年（平成6年）からは実用化試験放送が開始された。また、MUSE方式を扱いハイビジョン画質に対応した家庭向けのビデオ機器（民生品）として、ハイビジョンLDが市販化された。(ハイビジョンビデオカセットレコーダW-VHSはベースバンド方式のためMUSE方式ではない。)尚、実現はしなかったもののMUSEによる有料放送も計画されていた。その後、1996年のアトランタオリンピック開催時期に跨り、確実にアナログハイビジョンテレビは普及していった。NHKは自ら開発したハイビジョン (1125/60HDTV) とMUSEをHDTVの世界統一規格にすることを目指し、「高品位テレビ」の英訳として"High Definition Television"という言葉を使い、欧米で精力的な標準化活動を続けた。当初NHKはハイビジョンのスクリーン・アスペクト比を5:3 (1.67:1) のヨーロピアン・ビスタに近い値としていたが、規格統一の過程でアメリカン・ビスタ (1.85:1) との中間値に近い16:9 (1.78:1) となった。
NTSC標準テレビ放送に対し走査線が2倍以上あるため、高精細な画像である。画面の縦横比（アスペクト比）は人間の視野に合わせて標準 (4:3) よりも横長な16:9である。日本では2016年（平成28年）現在、2種類の放送規格がある。衛星放送（BS/110度CS）のデジタルハイビジョン (ISDB-S) と地上デジタルハイビジョン (ISDB-T) である。なおBSアナログハイビジョン (MUSE) は2007年（平成19年）9月30日に終了した。
翌1964年は1月にオープンを勝ち、4連勝を達成した。しかしここまでのローテーションは一流馬との対戦を避けたものであったため、皐月賞の前にシンザンの実力を測るべく東京競馬場で行われるスプリングステークスに出走した。レース前の調教の動きが良くなかったシンザンの人気は14頭中6番めであったが、レースではかつて武田が対戦を避けたウメノチカラや、弥生賞を勝ったトキノパレードなどを退けて優勝した。皐月賞では単勝1番人気に推され、先行策をとると直線の入口で先頭に立ち、猛追するアスカに4分の3馬身差をつけ6連勝でまず一冠目を獲得した。競走後、武田は東京競馬場の調教師・中村広の自宅で、競馬記者の井上康文に「ひょっとするとクラシック三冠馬を取れる」と語った。武田はクラシック二冠目の東京優駿（日本ダービー）を前に、調整のためシンザンを平場オープン競走に出走させたが2着に敗れ、初の敗北を喫する結果となった。本番の東京優駿では皐月賞と同様に1番人気に推され、レースが早いペースで推移するなか、中団を進んだシンザンは最後の直線コースで外から仕掛け、内から追い込んだウメノチカラに一時交わされるも、鞭を入れられるとふたたび差し返して優勝した。優勝タイムの2分28秒8は前年のメイズイのレコードから0.1秒遅れの競走史上2位（当時）のタイムであり、のちに三冠馬となるミスターシービーや、シンボリルドルフのタイムを上回るものであった。菊花賞へ向け、武田はシンザンを夏場の避暑のために北海道などへ移送することをせず、京都競馬場で調整することにした。しかしこの年の夏は40年ぶりの猛暑となり、シンザンは7月の下旬に重度の夏負けにかかった（具体的な症状としては体温が普段よりも5〜6分上昇し、汗をまったくかかなくなった）。武田は扇風機で馬房を冷やす、氷柱をつり下げるなど対策を講じ、8月の下旬にシンザンの体温はもとに戻った。夏負けの影響から、シンザンは10月に入るまで本格的な調教を行うことができず、武田はシンザンをレースに使いつつ鍛える方針を立てた。まずオープン競走に出走（結果は2着）したが競走後も調子は上がらず、京都杯ではバリモスニセイの2着に敗れた。11月に入りようやく体調は上向き、菊花賞直前の調教ではかつてない好内容の走りを見せた。しかし競馬ファンの間には体調に関する懸念が残り、菊花賞での人気はウメノチカラに次ぐ2番人気であった。このレースは大きな注目を集め、有料入場者数40660人（推定全入場者数45000人超）は、京都競馬場のそれまでのレコードを大幅に更新した。売上も3億9402万4200円に達し、それまでの菊花賞レコードを27%更新するものだった。レースはカネケヤキが大逃げを見せ、一時は20馬身以上の大差を付けた。武田から「早く追うな」と指示を受けていた栗田は、レースを実況していた小坂巖が「シンザン、どうした。三冠はもうだめだ」と発するほど仕掛けのタイミングを遅らせ、直線で一気にスパート。一時先頭に立ったウメノチカラを残り200メートルの地点で抜き去り、戦後初、セントライト以来23年ぶりの三冠を達成した。三冠達成後、疲労が抜けずシンザンは休養に入った。回避を表明していた有馬記念でのファン投票は3位で、ウメノチカラ（ファン投票2位）より低かった。