Третье поколение Yamaha YZF-R1 (код 5PW) вышло в 2002 году с принципиально новой рамой Deltabox III. Гидроформованная конструкция сократила количество сварных швов и повысила жёсткость рамы на 30%. Двигатель получил гибридную систему питания: топливные форсунки для подачи бензина сочетались с CV-слайдами карбюраторного типа для управления воздушным потоком, что обеспечивало плавный отклик дроссельной заслонки.
Выхлопная система была изменена с 4-в-1 на новую титановую схему 4-в-2-в-1. Цилиндровые гильзы получили новый сплав с высоким содержанием кремния и магния, снижающий тепловые деформации и расход масла. В 2003 году изменения ограничились добавлением аварийной световой сигнализации и ходовых огней.