Gry, obliczenia równoległe i CUDA (lata 2000.) W 2000 roku Nvidia przejęła aktywa upadającego konkurenta 3dfx, umacniając pozycję na rynku kart graficznych. Wytwarzała układy graficzne dla konsol, m.in. RSX („Reality Synthesizer”) dla PlayStation 3 firmy Sony, a przez kilka lat produkowała też chipsety płyt głównych z rodziny nForce dla procesorów AMD i Intela. Stopniowo wychodziła poza rynek gier, podejmując współpracę m.in. z NASA i producentami samochodów. Kamieniem milowym było wprowadzenie w 2006 roku platformy CUDA, która umożliwiła wykorzystanie równoległej mocy GPU do obliczeń ogólnego przeznaczenia i z czasem stała się fundamentem przewagi Nvidii w sztucznej inteligencji. Pod koniec dekady firma zmagała się z pozwem zbiorowym dotyczącym wadliwych układów mobilnych, zakończonym ugodą w 2010 roku.
Era sztucznej inteligencji (od 2010) W 2011 roku Nvidia wprowadziła Tegrę, układ typu SoC dla urządzeń mobilnych, stosowany później m.in. w konsoli Nintendo Switch i systemach samochodowych. Od 2012 roku, gdy wytrenowana na GPU Nvidii sieć neuronowa AlexNet zapoczątkowała rozkwit uczenia głębokiego, procesory graficzne firmy stały się podstawowym narzędziem badań nad sztuczną inteligencją.