「株式会社エーユー」は、翌2001年（平成13年）10月1日、KDDI本体に吸収合併され[注 3]、現在は主に同社の移動体通信事業のブランド名となっている。そのためブランドネームも「au by KDDI」（2000年10月1日から[注 4]2012年1月15日まで）となっており、これに伴いコーポレートイメージカラーも赤（auレッド）から橙（auオレンジ）に変更され、現在に至っている。
アナログ式からデジタル式への移行当初は、他社と同様にPDC方式でサービスを行っていたが、DDIセルラーグループの関西・九州・沖縄セルラーが1998年7月14日から開始したCDMA方式のcdmaOneにIDOや北海道・東北セルラーが1999年（平成11年）4月14日参加し、全国ネット化。
引き換えにPDC方式の縮小を進め、2003年（平成15年）3月31日にPDC方式のサービスを終了し[注 5][注 6]、現在はcdmaOne上位互換の第三世代携帯電話 (3G) 「CDMA2000 1x（のちにCDMA 1Xに改名）」への切り替えを進めている。
EZwebでインターネットにアクセスできるほか、CDMA 1X WIN（のちのau 3G）のほとんどの音声端末（ただしW11HおよびW11K、W21H、W21K、簡単ケータイ W32K、Walkman Phone, Xmini(W65S)、E30HT、簡単ケータイS PT001は除く）とA1400シリーズならびにA1000シリーズ、A101Kを除くCDMA 1X（のちのau 3G）のほとんどの音声端末がgpsOne技術を利用したGPSに対応する。それを生かして、GPS対応機ではカーナビと同等の機能を持つ「EZ助手席ナビ」や、ハンディナビとして使える「EZナビウォーク」（サービス開始当初は「EZ@NAVI」）を提供している。他にGPSを使った天気予報などのサービスがある。
また、2003年11月28日からは、日本初となる第三・五世代携帯電話 (3.5G) 「CDMA 1X WIN」の愛称でCDMA2000 1x EV-DO Rev.0のサービスを開始し、「EZ着うたフル」（2009年10月以降より単に「着うたフル」に改称）や、端末のみを利用したパケット通信定額制「EZフラット」を初めとした画期的なサービス、端末のデザインなどが評価され、2003年度から2006年度にかけて純増シェアトップを獲得した。
2004年（平成16年）8月1日にEZフラットを終了し、利用量によって料金が変わり、上限額はEZフラットと同額のダブル定額を開始した。EZフラットを利用してきたユーザーはダブル定額へ自動的に移行された。
以下、時系列順に記す：
2005年（平成17年）
5月1日: 「ダブル定額ライト」を開始。定額の費用を最小1050円まで下げられる事、および全ての料金プランと自由に組合せられる事から「3000円台から定額を始められる」事を宣伝、同時に携帯電話本体のみで完結する全ての機能について価格の上限を設け事実上の定額料金化し、さらに携帯電話を外部の端末に接続しモデムとして利用する際のパケット通信料金の料金体系を一新、WINの戦略を強化している。
10月1日: ツーカーグループ3社のKDDI本体への吸収合併にあわせ、ツーカーからauへの同一番号移行が可能になっている。
2006年（平成18年）
2月20日: 単独の契約でも家族割引と年間割引を併用した場合と同等の割引ができる「MY割」を開始。
8月より、ボーダフォン（当時）の「自動くりこし」、NTTドコモの「2か月くりこし」に対抗し、無料通話くりこしサービス「無期限くりこし」を開始した。ただし、無期限繰り越しと家族での無料通話を分け合うサービスを選ぶ形となり併用は出来ない。
9月より、コンテンツの一斉同時配信（マルチキャスト）を可能にする「BCMCS」を新たに導入する。BCMCSは、同一の無線チャンネルで多くのユーザーにコンテンツを一斉配信できるようにするシステム。コンテンツ配信時における周波数の利用効率とリアルタイム性が向上し、これまで以上の大容量コンテンツの配信が可能になるとしている。KDDIではこれを利用して、H.264をベースに高画質化された「EZチャンネルプラス」や、NTTドコモの「iチャネル」同等の「EZニュースフラッシュ」のサービスを開始する。これらは2006年秋冬モデルから順次対応。
10月24日: 番号ポータビリティ (MNP) が開始された。最初の6日間でauに転入した契約の数は10万1200件と10万件を突破した。一方、auから転出した契約の数は2万600件で、MNP利用者はトータルでは8万600件の純増となった。
9月5日: auの絵文字を他社に送信したときに、自動的に他社の絵文字に変換するサービスを開始（NTTドコモは7月12日より開始）。
10月末、着うたフル稼働台数が1000万台を突破。