A década de 2000 foi marcada no Brasil e na Globo pela chegada da TV digital. A transmissão digital no país teve início, oficialmente, em 2007, com um clipe inaugural de 12 minutos, transmitido a partir de São Paulo por meio de um pool de emissoras. Para a transmissão do sinal digital, a Globo implantou uma nova antena na capital paulista, de 185 metros de altura e pesando três toneladas. A antena, cujo projeto arquitetônico foi idealizado pelo designer Hans Donner, está situada no alto de um prédio de 70 metros, na região da Avenida Paulista.
Com a TV digital, toda a programação da Globo ganhou imagem e som transmitidos com definição muito superior, além de mobilidade e portabilidade, e a consequente exibição de programas em alta definição.
Já em 2002, a Globo realizara, de forma pioneira, a transmissão intercontinental em HDTV da final da Copa do Mundo que deu o pentacampeonato ao Brasil. O jogo foi transmitido ao vivo para cerca de 800 convidados, em salas digitais de cinema. O objetivo era demonstrar a convergência entre a HDTV e o cinema eletrônico, que traria benefícios para ambas as indústrias a partir da implantação da televisão digital no Brasil.
Em 2004, na cobertura da Olimpíada de Atenas, a Globo utilizou câmeras digitais de última geração, que gravavam digitalmente em discos e, simultaneamente, em alta e baixa resolução. O equipamento agilizou o processo de edição, reduzindo o tempo entre a captura das imagens e a exibição do material já editado. Na dramaturgia, a novela América (2005), de Gloria Perez, foi a primeira a captar imagens em alta definição, mas somente nas cenas externas, para treinamento dos profissionais do Projac.
Até 2007, apesar de alguns produtos serem captados com essa tecnologia, ainda não havia transmissão em alta definição. Com o início da transmissão digital em São Paulo, a Globo levou ao ar seu primeiro programa com a nova tecnologia, o Fantástico. Ao longo da semana inaugural, também exibiu em HD o programa Globo Repórter e o filme da sessão Tela Quente. Duas Caras, de Aguinaldo Silva, foi a primeira novela totalmente gravada e exibida em alta definição.
O início das transmissões de TV digital no Rio de Janeiro foi em 2008. O Jornal Nacional acompanhou a inauguração da antena e do transmissor exclusivos para a TV digital no estado. A partir de agosto do mesmo ano, o sinal da Globo em alta definição passou a ser transmitido pelo satélite BrasilSat C2. Dessa maneira, todas as emissoras e afiliadas da Globo, ao iniciarem suas transmissões digitais, passaram a dispor da máxima qualidade em alta definição e áudio multicanal na programação nacional. A TV Anhanguera, de Goiânia, foi a primeira afiliada da Globo a transmitir o sinal digital de alta definição.
Em 2009, a Globo deu início às transmissões com a nova tecnologia no Distrito Federal. A inauguração da antena e do transmissor exclusivos para a TV digital foi transmitida pelo DFTV 2ª edição. O primeiro programa a ser exibido em alta definição, do Distrito Federal, foi a novela Caminho das Índias, de Gloria Perez.
O telespectador do interior do estado do Rio de Janeiro, com o auxílio da antena parabólica, passou a captar a programação em alta definição da Globo em 2010, com o lançamento da TV Digital Rural. O sistema, que complementou a transmissão digital da emissora em locais não alcançados pelo sinal terrestre, recebeu o prêmio da revista Broadcast Engineering Excellence, na categoria New Studio or RF Technology.
Não foi apenas a transmissão em alta definição que movimentou a área de tecnologia da Globo nesta década. Em 2001, a empresa passou a contar com uma ligação em fibra ótica digital de alta velocidade para a troca de matérias e interligação dos seus sistemas de informação. A tecnologia permitiu integrar virtualmente as suas operações de jornalismo do Rio e São Paulo, intensificando a comunicação corporativa entre as duas matrizes e aumentando a qualidade no ar dos programas produzidos em São Paulo.