Embora a Radeon 8500 tenha superado as GeForce 3 por uma boa margem (pelo menos depois de algumas atualizações dos drivers), o reinado acabou durando pouco, já que a nVidia voltou ao topo com o lançamento das GeForce 4 Ti. A resposta da ATI veio com o lançamento do chipset R300, usado na terceira geração da família Radeon, que chegou ao mercado em agosto de 2002.

O R300 é um chipset compatível com o DirectX 9.0/Shader Model 2.0, produzido usando uma técnica de 0.15 micron. Além do grande volume de transístores adicionais necessários para suportar o Shader model 2, a ATI optou por adicionar 4 novos pipelines de renderização, elevando a contagem para 8 e oferecendo basicamente o dobro do poder bruto do R200.

Em 2002, as memórias DDR2 e GDDR3 ainda estavam longe de entrarem em produção, por isso a única maneira de aumentar proporcionalmente o barramento com a memória foi adotar o uso de um barramento de 256 bits. Combinadas, todas as modificações elevaram a contagem de transistores do R300 para 110 milhões, o que o tornou o maior chipset 3D produzido até então. Ele foi também o primeiro chipset 3D a usar um encapsulamento FC-BGA, similar ao usado por processadores como o Pentium III e o Athlon XP:

R300 em uma Radeon 9700

O R300 foi também o primeiro chipset da ATI a oferecer um sistema de multisampling antialiasing, o SMOOTHVISION 2.0 (concorrendo com o Quincunx da nVidia). Embora oferecesse uma boa qualidade visual, a versão original do SMOOTHVISION (disponível na ATI 8500) utilizava um algoritmo de supersampling, o que resultava em uma grande queda no desempenho. A partir do R300 as placas passaram a suportar os dois modos de antialiasing, assim como no caso das placas nVidia a partir da GeForce 3.

Hoje em dia, isso é irrelevante, já que ao tentar jogar usando uma destas placas você seria obrigado a desabilitar o AA e a maior parte dos efeitos visuais para obter um FPS aceitável, mas na época o multisampling antialiasing foi recebido como uma grande evolução.

O R300 foi originalmente usado em duas placas, a Radeon 9700 e a Radeon 9700 Pro. Ambas utilizavam memórias DDR, AGP 8x e o barramento de 256 bits com a memória, mas se diferenciavam pelas frequências de clock. A 9700 operava a 275/540 MHz e a 9700 Pro a 325/620 MHz.

O lançamento adiantado fez com que a Radeon 9700 Pro desfrutasse de um curto reinado como a placa mais rápida do mercado, superando a GeForce 4 Ti 4600 por uma boa margem. A resposta da nVidia veio pouco depois, com o chipset NV30 e a GeForce 5 FX.

Seguindo o curso natural, a ATI produziu também duas placas de médio custo baseadas em versões castradas do R300: a Radeon 9500 Pro e a Radeon 9500. Ambas as placas oferecem as mesmas frequências que a 9700 (275 e 540 MHz) mas oferecem um desempenho muito mais baixo. A 9500 Pro perdeu dois dos canais de acesso à memória, resultando em um barramento de apenas 128 bits (equivalente ao barramento de 128 bits das GeForce 4), enquanto a 9500 perdeu também metade dos pipelines de renderização, se tornando uma espécie de "meia 9700".

Em 2003 a ATI lançou o R350, uma versão levemente aperfeiçoada do R300 que (embora ainda produzido na mesma técnica de 0.15 micron) era capaz de atingir frequências mais altas. Ele deu origem à série 9800, que combinou placas de alto desempenho e versões castradas, com um barramento de apenas 128 bits com a memória.

As duas versões iniciais foram a Radeon 9800 (325/580 MHz) e a Radeon 9800 Pro (380/640 MHz), que se tornou o novo carro-chefe da ATI. Elas foram seguidas pela Radeon 9800 128bit e pela Radeon 9800 Pro 128bit, que foram as versões castradas, com um barramento de apenas 128 bits.

Perto do final de 2003 a ATI repetiu a fórmula usada na 9200 SE, produzindo duas versões castradas, com apenas 4 dos pipelines de renderização ativos: a Radeon 9800 SE 128bit e a Radeon 9800 SE 256bit. Embora as frequências de clock fossem as mesmas, elas eram consideravelmente mais lentas.

Em Outubro de 2003, foi lançada a Radeon 9800 XT, baseada em uma nova revisão do chipset. Ela usava clocks de 412 MHz para o core e 730 MHz para a memória, mantendo o barramento de 256 bits.

Entretanto, a grande maioria das placas produzidas foram baseadas no RV350, que foi a versão de baixo custo, com apenas 4 dos pipelines de renderização e um barramento de 128 bits com a memória. Ele foi usado na Radeon 9550 (250/400 MHz), Radeon 9600 (325/400 MHz), Radeon 9600 Pro (400/600 MHz) e Radeon 9600 Pro XT (500/600 MHz). Com exceção das 9600 Pro e XT (que já operavam perto do limite), as placas ofereciam uma boa margem de overclock, o que as tornou ainda mais atrativas.

Mantendo a tradição nefasta da série SE, a ATI lançou também a Radeon 9550 SE e a Radeon 9600 SE, duas versões capadas, com barramento de apenas 64 bits. Elas foram as placas mais lentas da série.

Todas as placas baseadas no R300/R350/RV350 foram produzidas apenas em versão AGP, que era o barramento dominante na época. Entretanto, a partir de 2004 o PCI Express passou a ganhar espaço rapidamente, o que levou a ATI a produzir também uma linha de placas PCI Express baseadas no RV370, uma versão de 0.11 micron do RV350, lançada em 2004.

A série incluiu a Radeon X300 (325/400 MHz), Radeon X300 SE (bus de 64 bits), Radeon X550 (400/500 MHz), Radeon X550 SE (400/500 MHz, 64 bits), Radeon X600Pro (400/600 MHz) e Radeon X600 XT (500/740 MHz). Além das versões com memória DDR, estas placas receberam também versões com memória DDR2, que na época já eram comuns.