Kolejne dwa albumy Kid A (2000) i Amnesiac (2001), nagrywane w tym samym czasie, ujawniły radykalną zmianę w stylu, który czerpał z muzyki eksperymentalnej i elektronicznej, XX-wiecznej muzyki klasycznej, krautrocka i jazzu. Mimo początkowych podziałów wśród słuchaczy, Kid A został wybrany najlepszym albumem dekady przez „Rolling Stone”, „Pitchfork” i „the Times”.
Szóste wydawnictwo Radiohead, Hail to the Thief (2003), będące mieszanką rocka i muzyki elektronicznej z tekstem inspirowanym wojną z terroryzmem, było ostatnim krążkiem zespołu spod szyldu wytwórni EMI. Wraz z In Rainbows (2007) zapoczątkowali alternatywne sposoby wydawania albumu studyjnego, publikując go w formacie MP3 na stronie internetowej dedykowanej temu dziełu, wykorzystując przy tym system Pay What You Want. Ich ósmy album, The King of Limbs (2011) powstał przy wykorzystaniu elektronicznych pętli i ciężkiego, psychodelicznego brzmienia. Dziewiąty album, A Moon Shaped Pool (2016), zawiera kompozycję i chóralny śpiew w wykonaniu London Contemporary Orchestra przy aranżacji Jonny’ego Greenwooda.