albüm "Hail to the Thief" Haziran 2003'te yayımlandı. Bu albüm bir anlamda grubun müzikal sergüzeştiydi; gitar egemen rock parçaları ve elektronik müziğin, güncel şarkı sözleriyle harmanlanmış haliydi. Eleştiriler genel olarak olumluydu. Çoğu eleştirmen, artık grubun "OK Computer" ile başlayan tarz değişimini bırakıp, yaratıcı bir şekilde ilerlediğini ifade ediyordu. Ticari olarak çok başarılı olan albüm Billboard listesine üç numaradan giriş yaptı, sonra da Birleşik Krallık'ta Platin plak, ABD'de Altın Plak sertifikalarını aldı. Albümün teklileri "There There", "Go to Sleep" ve "2+2=5" radyolarda sıklıkla çalındı. Albüm 2003 Grammy Ödülleri için "En iyi alternatif albüm" dalında aday gösterildi. Albümün yapımcıları Nigel Godrich ve Darrell Thorp da "Mühendisliği en iyi yapılan albüm" dalında Grammy Ödülü kazandı.

Thom Yorke, "Hail to the Thief" albümünün adının, o sırada gündemi meşgul eden ABD başkanlık seçimleri hakkında olduğu iddialarını yalanlamış ve bu deyişi ilk kez BBC Radio 4'da, zamanında seçimlere hile karıştırdığı için başkanlığı boyunca "hırsız" olarak bilinen John Quincy Adams hakkındaki bir tartışmada duyduğunu söylemiştir. Fakat Yorke albümün 2001 ve 2002 yıllarında dünya gündemindeki olaylardan etkilendiğini, ve "Hail to the Thief" deyişinin kendisi için çok etkileyici ve güçlü bir deyiş olduğunu, bunun belli bir konuda bir protesto olarak algılanmasına üzüleceğini, çünkü grubun ve kendisinin bir protesto şarkısı yazma niyetinde olmadığını belirtmiştir. "Hail to the Thief"'in yayımlanmasından sonra grup Haziran 2003'te Glastonbury Festivali'nde başlayıp 2004 ortalarında Coachella Festivali'nde sona eren, dünya çapında bir turneye çıktı. Turneleri sırasında "Hail to the Thief" albümünün B taraflarından oluşan "COM LAG" EP'sini çıkardılar. Turne bittikten sonra Oxford'daki stüdyolarında yeni albüm için çalışmaya başladılar, fakat hiçbir şirketle anlaşmaları olmadığından araya bir fasıla girdi. Bu sürede üyeler kendi solo projelerine ağırlık verdi.

Radiohead, Şubat 2005'te kayıt çalışmalarına başladı. Eylül 2005'te savaş bölgelerindeki çocuklara yardım amaçlı gönüllü bir kuruluş olan War Child'ın yardım amaçlı albümü için piyano ağırlıklı bir şarkı olan "I Want None of This"i bağışladı. Albümün parçaları internet üzerinden satışa sunuldu ve en çok indirilen parça "I Want None of This" oldu. Fakat şarkı tekli olarak yayımlanmadı. Bu sırada Radiohead'ın EMI şirketiyle olan anlaşması "COM LAG" EP'sinin yayımlanmasıyla sona remişti. Grup yeni albüm için şarkılar yazmaya başlamadan hemen önce Thom Yorke Time dergisine şöyle bir mülakat verdi: ""Aslında ben kayıt şirketimizdeki insanları seviyorum, fakat onlara neden ihtiyacımız olduğunun sorulacağı vakit geliyor. Ve, evet, bu çürümüş işletme modeline "canınız cehenneme" demek bize alhaksızca bir zevk verebilir." Grup sonraki albümlerini prodüktörleri Mark Stent ile birlikte kendi başlarına kaydetmeye başladılar, fakat 2006 sonlarında, 13 yeni şarkı seslendirdikleri Avrupa ve Kuzey Amerika turnesinden sonra yollarına Nigel Godrich ile İngiliz kırsal kesimlerindeki birkaç stüdyoda devam ettiler. Albüm Haziran 2007'de tamamlandı ve New York City'de bir stüdyoda ana kopya işlemleri tamamlandı.
Grubun yedinci albümü "In Rainbows" Ekim 2007'de internet üzerinden, müşterilerin istedikleri fiyatı verip indirebileceği şekilde yayımlandı. Albümün 1.2 milyon kez indirildiği iddia edilmesine rağmen grup tarafından resmi bir açıklama yapılmadı. İnternet üzerinden yapılan satışın, ilerde yapılması planlanan CD albüm satışlarını yükseltmek için bir taktik olduğu ifade edildi. Thom Yorke, Radiohead'in "In Rainbows"'un internet üzerinden sataşından elde edilen gelirin, grubun önceki albümlerinin hepsinin internet üzerinden yapılan satışlarının gelirinin toplamından daha fazla olduğunu ifade etmiştir. Aralık 2007 başlarında, içinde albümün taş plak kaydı, stüdyo kayıtlarından bir bonus CD ve karton ciltli bir kitapçık bulunan bir "discbox" piyasaya sürüldü. "In Rainbows" fiziksel olarak Birleşik Krallık'ta Aralık sonunda XL Recordings, Kuzey Amerika'da ise Ocak 2008'de TBD Records tarafından satışa sunuldu. Albümü dağıtımını Türkiye'de Equinox Müzik gerçekleştirdi. Albüm, grubun "Kid A"'dan sonra ABD'deki en büyük başarısı oldu. Birleşik Krallıkta da zirveye çıkan 5. albümleri oldu. Albümün ilk teklisi "Jigsaw Falling into Place" Birleşik Krallık'ta Ocak 2008'de yayımlandı. Grup Mayıs 2008'de Kuzey Amerika, Avrupa, Güney Amerika ve Japonya'yı kapsayan bir turneye çıkacak.

"In Rainbows" genelde olumlu eleştiriler aldı, hatta kariyerlerinin en iyi albümü olduğu söylendi. Eleştirmenler, albümün daha erişilebilir tonda olduğunu ve eski şarkılarına nazaran daha kişisel şarkı sözleri içerdiğini söylediler. Jonny Greenwood albümün dağıtım ve fiyatlandırma politikasının sebepleri hakkında "Denemeye değer bir deneydi... İnsanları, bir an durup müziğin ne değerde olduğunu düşündürmek eğlenceliydi" şeklinde bir demeç verdi. Thom York da albüm için "En uyumlu ve kesin biçimde, 'bizi neyin hareket ettirdiği'ni anlatma çabası. "In Rainbows" bizim klasik albümümüz, Transformer'ımız, Revolver'ımız, Hunky Dory'miz." demiştir.
Grup 2009 yılının Haziran ayında 1. Dünya savaşının son gazilerinden Harry Patch'in ölümü anısına yaptıkları şarkıyı internet siteleri üzerinden satışa sunmuştur. Ardından " These Are My Twisted Words " adlı single'larını ağustos ayında çıkaran grup Thom Yorke 'un bir röportajında, bundan sonra albüm çalışmaları yerine solo ağırlıklı ve single ağırlıklı çalışmalara yöneleceklerini belirtmiştir.
9 Ekim 2009'da grubun gitaristi Ed O'Brien her ne kadar Thom Yorke'un bir daha albüm yapmayacağız demesine karşın 2010 yılında Radiohead hayranlarını yeni bir albümün beklediği haberini verdi.
Mayıs 2009'da grup, prodüktör Nigel Godrich ile yeni albüm çalışmalarına başladı. Bu çalışmalar sonucunda ağustos ayında iki single yayınladılar: "These Are My Twisted Words" ve Birinci Dünya Savaşı'nda hayatta kalan son İngiliz asker Harry Patch anısına yaptıkları "Harry Patch (In Memory Of)". Thom Yorke Radiohead'in alışılagelmiş albüm formatlarından uzaklaşabileceğini söyledi fakat bir süre sonra grup, sekizinci uzun albümlerine odaklandı.

Ocak ayında İngiliz yardım kuruluşu Oxfam adına Los Angeles'ta verilen konser aynı zamanda grubun 2010 yılındaki tek konserleri oldu. 2010 Haiti depremine yardım için açık artırmayla satışa sunulan bilet fiyatları, yarım milyon dolardan fazla yükseldi. Aralıkta Radiohead'in Oxfam performansını kaydeden hayranların hazırladıkları video, grup üyelerinin desteğiyle Youtube ve torrent platformlarında yayınlandı. Ayrıca Oxfam'a bağışta bulunulması için "pay-what-you-want" linki oluşturuldu.

Radiohead sekizinci albümlerinin kayıtlarını ocak 2011'de bitirdi. Sevgililer gününde duyurulan The Kings of Limbs, 18 şubatta Radiohead'in resmi web sitesinde yayınlandı. Albüm mart ayında CD ve plak formatlarında yayınlandı. Mayıs ayında da albümün "newspaper edition"ı yayınlandı. Albüm internet sitesi üzerinden tahmini 300 bin ile 400 bin arası satış gerçekleştirdi. "The King of Limbs" fiziksel olarak ilk haftasında 69 bin kopya satışıyla Billboard 200 listesine 6 numaradan giriş yaptı. Birleşik Krallık'ta ise 33,469 satışla 7 numarada kaldı.

30 Nisan'da daha önceden Radiohead'den alışveriş yapmış olan hayranlara "Burn the Witch" single'ı ile ilgili bir afiş gönderildi. 1 Mayıs 2016'da Radiohead websitelerindeki ve sosyal medya hesaplarındaki bütün içeriği sildi. "Burn the Witch" single'ı 3 Mayıs'ta bir stop-motion animasyonla birlikte yayımlandı. 6 Mayıs'ta "Daydreaming" single'ı Paul Thomas Anderson'ın yönettiği bir video ile birlikte yayımlandı. Radiohead'in dokuzuncu stüdyo albümü "A Moon Shaped Pool" 8 Mayıs 2016'da dijital olarak satışa sunulmuştur.

Radiohead'ın devamlı değişen müzik tarzının sebebi, grup üyelerinin farklı hünerleri ve müzikal zevkleri olmuştur. Grupta sadece baş gitarist Jonny Greenwood klasik müzik eğitimi almıştır. Greenwood, gitarın yanında klavye, ondes martenot, banjo, viyola, armonika ve bilumum enstrüman çalabilen bir multi-enstrümantalisttir. Geçtiğimiz yıllarda elektronik ve dijital ses oynama araçları da kullandığı enstrümanlar arasına girdi. Fakat bunların bir bölümünü sadece konserlerde kullanmaktadır. Greenwood aynı zamanda "Climbing Up the Walls", "How to Disappear Completely", "Pyramid Song" ve "Faust Arp" gibi Radiohead şarkılarındaki yaylı orkestralarının aranjörlüğünü de yapmaktadır. Thom Yorke da gitar ve piyano çalar. Bir zamanlar Exeter Üniversitesi'ndeki "Flickernoise" isimli bir techno grubunda DJ'lik de yapmıştır. Son zamanlarda iyice elektronik müziğe odaklanan Yorke, 2003'te katıldığı bir radyo programında eğer sadece gitarla veya sadece elektronik müzik yapmak arasında seçim yapmaya zorlansaydı, elektronik müziği tercih edebileceğini söylemiştir.

Grup kurulduğundan beri hem şarkı sözü üretimi hem de müzikal olarak gruba Thom Yorke liderlik etmektedir. 2000 yılında bir söyleşide Yorke; "Biz Birleşmiş Milletler gibiyiz ve ben Amerika'yım. demiştir. Bunun bir istisnası şarkı sözü yazarlığı olabilir. Her ne kadar nerdeyse bütün şarkı sözleri Thom Yorke'un olarak görünse de, aslında bütün üyelerin şarkı sözlerine katkısı olmaktadır. Bir röportajlarında şarkı sözü yazımında bütün üyelerin bir bütünün bileşenleri gibi olduğunu belirtmişlerdir. Sonuç olarak bütün şarkı sözleri, muhtemelen en büyük katkıyı yapan Thom Yorke'un adı altında gösterilmektedir. "Kid A/Amnesiac" kayıt dönemi grubun müzik tarzında değişim getirdiği gibi, çalışma tarzında da değişiklikler getirmiştir. Ed O'Brien durumu şöyle belirtmiştir: "Eğer farklı tonda bir müzik yapmaya karar verdiyseniz, metodolojiyi değiştirmek zorundasınız... Herkes endişeli olur. Ben bir gitaristim ve birden mesela bir parçada hiç gitar kullanılmıyordur, veya davul yoktur. Jonny, Coz, (Collin Greenwood) Phil ve benim buna alışmamız gerekiyordu.

Grubun müzik tarzındaki gitardan elektroniğe doğru kayma sürecinde, grup üyeleri enstrüman kullanımında daha fazla e