2004年10月17日、番組名を『新堂本兄弟』に改題リニューアル、放送時間もゴールデンタイム・プライムタイム帯から初の深夜帯へ移動。毎週日曜23:15 - 23:45（JST）に変更。

2004年から2006年までは、春・秋の改編期・年末にはゴールデンタイム・プライムタイムで特別番組を放送。

レギュラー放送最高平均視聴率は2006年2月26日放送（ゲストはオリエンタルラジオ）の16.8%[注釈 7]。

2011年5月8日、番組10周年を記念して、タイトルロゴ・スタジオセットをリニューアル[4]。これに伴い、光一と剛の座る位置が逆になった（光一が左側、剛が右側）。

2013年春以降は、ゲスト2組を招きトークやセッションを行う形に変更された。

2014年7月20日放送#612 「堂本兄弟メモリアルセレクション」では、番組初の試みとして、KinKi Kids、高見沢俊彦、当時のCPきくち伸[注釈 8]4名が副音声で解説を行った。[6]

2014年9月28日放送のラストライブ[7]をもって約14年のレギュラー放送は終了[8]。

後継番組はタモリの冠番組『ヨルタモリ』がスタート[9]、KinKi Kidsのレギュラー番組は『KinKi Kidsのブンブブーン』に引き継がれた[8]。

2015年以降は年1回のペースで不定期特番として放送（詳細は後述）。2015年は新春特番として1回放送、2016年のみ新春と年末に2回放送、2017年からは年末の年1回の放送で定着している。なお、（関東地区における）放送日近くの『ブンブブーン』の放送回には堂本ブラザーズバンドのメンバーがゲスト出演するのが恒例となっている。
出演者
堂本兄弟（初期設定）
堂本進（兄）：堂本剛
1978年4月11日生まれ、秋田県出身。好きなアーティストはボブ・ディラン、好物はタン塩。
堂本歩（弟）：堂本光一
1979年1月2日生まれ、岩手県出身。好きなアーティストはジェームス・ブラウン、好物は豚生姜焼き定食。

2人とも父親は同じだが異母兄弟。東京のアニメ専門学校で出会い、「堂本兄弟」としてバンドデビューを目指す。2人の父の名前は「堂本拓郎」。母の名前はそれぞれ「堂本美代子」、「堂本愛子」とされている。家族の名前は、父については『LOVE LOVEあいしてる』で共演していた吉田拓郎[注釈 9]、母については浅田美代子と森下愛子（それぞれ、吉田拓郎の前妻と現在の妻）に由来する。

番組開始当初はそれぞれ「進」、「歩」などの名前で呼び合うなど「堂本兄弟」としてのキャラ設定が重視されていたが、役柄を演ずるコンセプトは開始から数ヶ月で徐々に無くなっていき、本来の「KinKi Kids」「堂本剛」「堂本光一」としての出演になった。公式ホームページからもそのような表記が削除され、結局はタイトルだけにその名が残った。
堂本ブラザーズバンド

番組内で演奏を担当するバックバンド。別表記：DOMOTO MUSIC BROS. BAND。略称：DMBB[11]。旧バンド名：堂本兄弟とゆかいな仲間たち。一部のメンバーはトークにも参加する。初期は前身の番組である『LOVE LOVE あいしてる』のLOVE LOVE ALL STARS（略称：LLAS。主なメンバーはスタジオミュージシャン）とは異なる解散した人気バンドのメンバーを起用していたが、2003年からLLASにも参加した吉田建、吉田とともに活動していた村上“ポンタ”秀一、土屋公平などを起用している[12]。

また、実際に番組内でオンエアされることはほとんど無いが、3本目の収録の前に堂本剛を中心とする「剛マンブラザーズバンド」[13]（略称：TMBB）によって不定期にセッションが行われる。メンバーは堂本剛を先頭（リーダー）に、吉田建、土屋公平など自由な組み合わせとなる。打合せらしきものは殆ど無く、その日の気分や簡単なお題のみでのセッションとなる場合が多い。

2013年3月収録分からは、シシド・カフカ、TOKIE、YUKARIE、宮本笑里といった女性陣が参加する場合もあり、その際は「剛マンシスターズバンド」（略称：TMSB）と呼ばれていた。[14]
放送終了時のレギュラー

☆印はラストライブ（2014年9月28日放送）参加者。

◇印は「堂本兄弟2015新春かえってきましたSP」参加者。

△印は「堂本兄弟2016あけましておめでとうSP」参加者。

□印は「堂本兄弟もうすぐクリスマスSP」参加者[15]。

〈トーク + 演奏〉


堂本光一【ボーカル&ギター】（2001年4月 - ）☆◇△□

堂本剛【ボーカル&ギター】（2001年4月 - ）☆◇△□

高見沢俊彦【THE ALFEE、ギター】（2003年4月[16] - ）☆◇△□

西川貴教【BGV】（2011年5月[4] - ）☆◇△□

高橋みなみ【AKB48（当時）、BGV】（2011年5月[4] - ）☆◇△□[17]

武田真治【サックス】（2006年4月 - ）※不定期出演[注釈 10]☆◇

槇原敬之【BGV】（2011年5月[4] - ）※2013年4月からは不定期出演。2018年以降の特番は不参加。☆◇□

DAIGO【BREAKERZ、BGV】（2012年4月[注釈 11] - ）※2013年4月からは不定期出演☆◇□

〈演奏のみ〉


吉田建【ベース、音楽監督、コーラス[注釈 12]】（2003年4月 - ）※2009年11月15日放送回（#409）と2013年3月24日放送回（#552）にはトーク（ゲスト）参加 ☆△□

浅倉大介【access、キーボード】（2006年4月 - ）※2006年4月はトークにも参加 ☆◇□

シシド・カフカ【ドラムス】（2013年4月[18] - ）☆◇

TOMOMI【SCANDAL、ベース】（2014年4月[19][20] - ）※2014年4月はトークにも参加 ☆◇

サポートメンバー

レギュラーではないが、不定期で参加することがあるミュージシャン。また楽曲によってはストリング・セクションやブラス・セクションなどのゲストミュージシャンが参加する場合がある。

ポール・ギルバート【レーサーX・MR. BIG、ギター】

坂崎幸之助【THE ALFEE、アコースティックギター】

武部聡志【キーボード】

サンコンJr.【ウルフルズ、ドラムス】

村石雅行【ドラムス】