W 2003 roku ukazały się procesory AMD Athlon 64 oraz AMD Opteron, a przedsiębiorstwo podpisało dwie umowy: o współpracy w zakresie rozwoju technologii produkcji z IBM oraz o strategicznym sojuszu z Sun Microsystems. W następnym roku ukazał się pierwszy na świecie dwurdzeniowy procesor wykonany w technologii x86 produkcji AMD. Procesory AMD Athlon 64 oraz AMD Turion 64 zadebiutowały w 2005 roku.
W 2006 roku AMD zostało członkiem założycielem – organizacji mającej na celu zmniejszenie ilości energii elektrycznej zużywanej przez podzespoły elektroniczne. W tym samym roku firma zaprezentowała pierwszy natywny czterordzeniowy procesor wykonany w technologii x86 oraz przejęła firmę ATI za kwotę 5,4 miliarda dolarów. W 2008 roku wprowadzono technologię Cinema 2.0 oraz rozpoczęto projekt AMD Changing the Game, mający na celu poprawienie umiejętności technicznych i społecznych dzieci poprzez tworzenie gier komputerowych o walorach edukacyjnych.
W 2009 roku przedsiębiorstwo zawarło z Intelem porozumienie w sprawie procesów antymonopolowych;