Yamaha’s V4 made it's debut at 1982 Austrian GP. #3 Kenny Roberts on the front row.

Realizând că era motorului de 4 cilindri în linie se încheiase, Yamaha a fost dornică de o schimbare radicală și noi posibilități. În 1982, Yamaha a continuat cu două versiuni ale modelului YZR500. Unul dintre ele a fost YZR500 (0W60) - o versiune avansată a modelului 0W54, propulsat de un motor Square-Four cu supapă cu disc rotativ.

Kenny Roberts și Barry Sheene, care l-a însoțit anterior pe Roberts în 1981, au asigurat prompt locurile 1 și 2 în runda de deschidere a Campionatului Mondial de Grand Prix din Argentina, subliniind astfel nivelul de înaltă dezvoltare al noului model. Versiunea alternativă, YZR500 (OW61), care a debutat la runda austriacă din Salzburgring în acel an, a fost prima motocicletă GP de 500 cmc cu un motor v4. Acesta a fost un proiect ambițios, care prezintă tehnologii experimentale nonconformiste, dezvoltate de Yamaha.

Printre acestea se numără doi arbori cotiți cu o mică suprafață de proiecție frontală, un cadru nou configurat care a eliminat secțiunea cu parte inferioară în buclă și o unitate de suspensie spate montată orizontal. Proiectul s-a confruntat cu numeroase dificultăți, dar Yamaha nu și-a putut permite să își oprească provocarea de a urmări noi inovații. În acel an, Kenny Roberts, care a pilotat pe rând cele două versiuni de YZR500, în funcție de necesități, a ajuns pe locul patru în campionat. Graeme Crosby, care a pilotat doar modelul 0W60, a terminat pe locul doi general. Deși Yamaha a ratat titlul în acel an, nu a existat nicio îndoială că aceste supermotociclete au marcat un punct de cotitură important, care a influențat în mare măsură progresul tehnologic ulterior al Yamaha.

#7 Barry Sheene rode three seasons for Yamaha 1980-1982.

Eddie Lawson in his first year of the 500cc Grand Prix World Championship, 1983.

Modelul YZR500 (OW70) din 1983 prezenta un motor V4 puternic, compact, montat pe cadrul revoluționar din aluminiu Deltabox. Noua motocicletă putea depăși rivalii Yamaha din 1982, Suzuki. Cu toate acestea, a apărut un nou concurent – Honda. Atât Kenny Roberts (pentru Yamaha), cât și Freddie Spencer (pentru Honda) s-au luptat cu înverșunare pentru titlu, lupta pentru campionat decizându-se în finala din San Marino. Deși Kenny Roberts a câștigat această cursă, a ratat în mod frustrant titlul la distanță de numai două puncte. Ulterior, și-a anunțat retragerea din Campionatul Mondial de Grand Prix. 

Eddie Lawson, care l-a înlocuit pe „Regele Kenny”, a condus modelul YZR500 (OW76) cu motor V4, ce prezenta un sistem de inducție cu supapă flexibilă pentru carterul motorului, renumit pentru întreținerea ușoară, și a mers cot la cot cu modelul Honda cu motor V4 al lui Freddie Spencer. De data aceasta a fost Eddie Lawson cel care a câștigat Campionatul Mondial de Grand Prix de 500 cmc în 1984, marcând un al cincilea titlu pentru Yamaha.

Din păcate, anul următor, Yamaha a pierdut titlul din nou în fața Honda care avea un motor V4 mult îmbunătățit, deși Eddie Lawson (Echipa Marlboro) și Christian Sarron (Echipa Gauloises) au terminat pe respectabilele locuri doi și trei cu modelul YZR500 (OW81). 

În 1986, Yamaha a avut cinci piloți pe modele YZR500 (OW81) îmbunătățite – Eddie Lawson, Christian Sarron, Rob McElnea, Rand Mamola și Mike Baldwin. Toți cinci au terminat printre primii șase în campionatul piloților, iar Eddie Lawson a câștigat titlul. În acest proces, Yamaha a câștigat primul său titlu de constructor din ultimii 11 ani. 

Din cauza unor dificultăți, Yamaha a terminat sezonul 1987 cu Randy Mamola clasat pe locul doi și Eddie Lawson pe locul trei.  În 1988, Eddie Lawson și-a adjudecat titlul piloților din nou, în timp ce viitorul star, Wayne Rainey, și-a arătat potențialul. Deși Rainey nu a reușit să revendice titlul piloților în anul următor, americanul a adăugat trei victorii de curse pe numele său, căpătând încredere.. 1989 a fost, de asemenea, anul în care Yamaha a instalat un înregistrator de date pe modelul YZR500 pentru a colecta diverse date – poziția clapetei de accelerație, turația motorului, viteza vehiculului, învârtirea roților și cursa suspensiei – în timpul rulării. Acest dispozitiv a contribuit foarte mult la dezvoltarea ulterioară a experienței Yamaha în domeniul curselor.

1988: #3 Eddie Lawson – who won the 500cc title three times – and his successor # 17 Wayne Rainey.

Carlos Lavado, who took his first world title on the TZ250 in 1983, switched to a YZR250 in 1986

În clasa de 250 cmc a Campionatului Mondial de Grand Prix, deși majoritatea piloților foloseau modelul Yamaha TZ250, au fost din ce în ce mai puțin prezenți pe podium la sfârșitul anilor '70. De asemenea, în ciuda eforturilor de a crește competitivitatea motocicletei (suspensia spate monocross și frânele pe disc în 1976, cadrul și brațul oscilant de la motocicleta YZR500 a lui Kenny Roberts în 1979), fabrica și echipele susținute de aceasta au continuat să întâmpine probleme. 

Pentru a crea un motor mai puternic, cu număr mai mare de turații pentru modelul TZ250 din 1981, cilindrul cu alezaj și cursă de 54 x 54 mm, moștenit de la TD-3 a fost modificat la o cursă mai scurtă. De asemenea, modelul a fost echipat cu un sistem nou, special proiectat de Sistem de supape de putere Yamaha (YPVS), care a eliminat pantele din curba cuplului. TZ250 a făcut un mare pas înainte.

Cursa de 8 ore Suzuka 8 a devenit parte a Campionatului Mondial de Anduranță în 1980. Yamaha a intrat pentru prima dată în această cursă în 1984, cu o motocicletă bazată pe modelul XJ750E, condusă de piloții Yamaha Hiroyuki Kawasaki și Shinichi Ueno. În anul următor, echipa de vis a Yamaha, Kenny Roberts și Tadahiko Taira, a intrat în cursă cu modelul FZR750 cu 20 de supape. În ciuda dominării lor copleșitoare în timpul cursei, victoria a fost pierdută din cauza unei defecțiuni mecanice. Dar, în cele din urmă, în 1987, Kevin Magee și Martin Wimmer au adus prima victorie Yamaha în cursa de 8 ore Suzuka. În anul următor, Wayne Rainey și Kevin Magee au înregistrat o a doua victorie dominantă. 

În cursele Off-Road, la începutul anilor '80, Yamaha a concurat în trei clase – 125 cmc, 250 cmc și 500 cmc, aceasta din urmă fiind principalul punct de interes. În acest deceniu, Yamaha a obținut șase titluri de piloți și trei titluri de constructor, dovedind că este un concurent puternic, nu numai în cursele de motociclism viteză, ci și în cele de motocros.

1987 Suzuka 8 Hours: changing brake pads during tyre change took too long. Therefore, #21 Kevin Magee on YZF750 had to stay out as long as possible

Jacky Vimond – 1986 250cc Motocross World Champion – winning 11 of 24 motos across 12 rounds

În clasa de 250 cmc, starul francez în ascensiune, Jacky Vimond, a fost încoronat Campion Mondial în 1986, în timp ce Yamaha a primit titlul de constructor. 

În clasa de 125 cmc, olandezul John van den Berk a ieșit victorios într-o luptă strânsă, devenind primul Campion Mondial de Motocros în clasa de 125 cmc de la Yamaha în 1987. În anul următor, după ce a trecut la clasa de 250 cmc, și-a adjudecat al doilea titlu mondial, pilotând modelul YZR250M. 

În Campionatul AMA de Supercross clasa 250 cmc, Mike Bell a fost cel care a câștigat titlul piloților în 1980, iar în Seria Națională de Motocross AMA, Broc Glover, care s-a mutat în clasa de 500 cmc, a fost desemnat campion în 1981, 1983 și 1985, în timp ce Rick Johnson a câștigat titlul din 1984 pe un model de serie YZ250.

În 1983, Raliul Paris-Dakar a fost recunoscut oficial de FIA (Fédération Internationale de l'Automobile), Yamaha oferind sprijin total participanților săi. Modelul XT500, care a demonstrat fiabilitate și performanțe remarcabile în evenimentele timpurii ale acestui raliu, a evoluat constant la modelele modificate XT550, XT600 și XT600 Ténéré. Deși aceste motociclete au concurat uneori pentru marea victorie, a devenit evident că motoarele cu un singur cilindru de ieșire nu aveau suficientă putere pentru a se potrivi cu noile motociclete de mare capacitate, cu 2 cilindri ale concurenței. Yamaha, cu pilotul Jean-Claude Olivier – un director executiv al importatorului francez Yamaha, Sonauto, a participat la a 8-a ediție a Raliului Paris-Dakar cu modelul FZ750 Ténéré cu 4 cilindri și 20 de supape DOCH și a terminat cursa pe locul 12. Inspirată de o asemenea pasiune, Yamaha a dezvoltat modelul de serie cu un cilindru YZE750 Ténéré (OW93) pentru a intra în cursa din 1988 și modelul (OW94) pentru sezonul următor. În ambii ani, pilotul italian Franco Picco a ajuns aproape de victorie, dar a căzut în clasament și a terminat pe locul doi. Deși nu a fost o victorie, evoluțiile au pavat drumul spre o nouă eră glorioasă.

Following his 1979 win, #50 Cyril Neveu won the 2nd Paris-Dakar Rally in 1980 on a modified XT500.