Android 2.2 Froyo：更多改進，更好設備
2010 年中期發布的 Android 2.2 帶來了多項顯眼的改變：
- 新的 Launcher 界面。從 1.0 開始沿用至 2.1 的 Launcher 界面得到了改善。盡管這些改進之處在很多廠商定制的第三方 Launcher 上早已存在。
- 新的相冊界面。Google 使用 3D 相冊界面來向開發者展示 Android 的 3D 性能。
- 移動熱點。從 2.2 開始 Android 設備可以將自己的 3G 網絡連接分享為 wifi 信號，不過很多運營商為了保護自己的業務而禁用了這一功能。
- 密碼解鎖和 PIN 解鎖。更安全的密碼解鎖和 PIN 解鎖在這一版本中得以加入。
- 企業級改進。大量 Exchange 相關特性被加入進來，Google 開始利用 Android 涉足企業級市場。
此外，Android 2.2 在一定程度上展示了 Google “親兒子”的優越性：Nexus One 成為第一個接收到 Froyo 更新的設備，而很多第三方硬件廠商的官方 ROM 版本號則永遠停在了 2.1～
Andorid 2.3 Gingerbread：踏足游戲市場
Google 和三星合作，以三星旗下的著名機型 Galaxy S 為基礎制造了第二代“親兒子” Nexus S 作為 Android 2.3 Gingerbread 的首發設備。從 Nexus S 開始，創始人安迪·魯賓所鐘愛的硬件軌跡球設計作為舊時代的最后遺跡被徹底拋棄。
從 Android 2.3 開始，為了順應 Android 設備廣泛采用 AMOLED 顯示屏的潮流，Google 讓 Android 的默認皮膚基調由白色向黑色轉變，以便在以黑色的深邃而出名的 AMOLED 顯示屏上擁有良好的顯示效果和節電效果。同時 Google 還重新設計了桌面組件和大量的系統細節。
Android 2.3 的其它改進包括更精確的復制粘貼手柄、更好的虛擬鍵盤、應用程序和電池管理選項、前置攝像頭支持和 NFC 支持等等。
此外，這一版本向開發者開放了更加底層的音頻、傳感器、圖形和存儲控制接口。使開發者們有條件做出更好的大型 3D 游戲。
Android 3.x Honeycomb：向平板進軍
在 Android 3.0 發布之前，蘋果 iPad 在平板領域處于絕對優勢地位，Android 陣營根本沒有為平板電腦進行優化的系統版本，廠商們只能將 2.x 系統強行拉大到平板上，導致糟糕的用戶體驗。為了改變這一狀況，Google 緊急發布了為平板優化的 Android 3.0 系統。根據設計師 Matias Duarte 的回憶，當時的時間極為倉促，導致 Android 3.0 甚至無法加入對手機界面的支持。
盡管 Google 與摩托羅拉合作發布的第一臺 Android 3.0 平板 Xoom 銷量凄慘，Android 3.0 還是帶來了大量新特性，這些特性中的大部分后來在 Android 4.0 中被帶到了手機。
新的主屏幕和桌面組件排布機制
在舊版本 Android 中，桌面組件以列表的形式供用戶選擇，用戶無法預覽其內容和效果。Android 3.0 改變了這種情況。用戶可以預覽每個組件的顯示效果和大小，以更方便地決定擺放位置和排列方式。此外，從 Android 3.1 開始用戶可以隨意調整桌面組件的尺寸。
取消物理按鍵
長期存在的物理按鍵被改為黑色背景上的數個虛擬按鍵，系統可以根據需要調整按鍵的內容，并決定按鍵是否可見。帶來了更大的靈活性。
新的多任務界面
隨著 webOS 主設計師 Matias Duarte 就職 Google，卡片式界面越來越多地出現在 Android 系統中。在 Android 3.0 里，按下多任務虛擬按鍵之后會顯示一個卡片式的程序列表，而不是過去機械呆板的圖標陣列。不過這一特性在 Android 4.0 中才開始變得廣為人知。
新的應用布局
Android 3.x 引入了 Action Bar 的概念，在頂部顯示內容可變的狀態條，以放置針對應用界面和操作場景優化的各種按鈕和操作選項。在 Android 4.0 中，Action Bar 得到了進一步的改進，在手機界面的上下兩端都可以出現，并且變得更加方便：
此外，Android 3.x 還開始支持應用采取分欄布局，以適應平板電腦的尺寸和界面使用需求。
Android 4.0 Ice Cream Sandwich：統一體驗的開端
Google 在其第三代 Nexus 系列手機 Galaxy Nexus 上首發了 Android 4.0 ICS。這一版本將之前 Android 3.x 的大量改進帶回手機，同時還帶來了不少新特性：
新的主題和字體
為了適應高清屏幕的顯示需求，Android 4.0 引入了新的 Roboto 字體，這一字體對顯示效果的改善作用非常明顯。
Android 4.0 在 3.x 的基礎上進一步改進，帶來了富有科技感的全新 Holo 主題，這一主題不僅充分利用了 AMOLED 屏幕在深色調下的效果優勢，還使大多數第三方定制主題相形見絀，進一步推進了 Android 的統一體驗進程。
新的主屏幕和應用程序
ICS 的主屏幕得到了重新設計，用戶現在可以簡單地拖拽圖標建立文件夾，適配 Holo 主題的全新日歷和 Gmail 應用登場。
Android Beam
NFC 技術得到了一個實際的應用。兩臺擁有 NFC 功能且開啟了 Android Beam 的手機可以通過簡單的觸碰操作傳遞數據。Google 開放了 Android Beam 的接口，使開發者可以方便地整合自己應用的數據到 Beam 中。
此外，Android 4.0 還帶來了面部解鎖、流量統計等大量具有趣味性和實用性的細小改進。
Android 4.1 Jelly Bean：新系統、新設備、新可能
2012 年 6 月，Google 在 Nexus 7 平板上首發了 Android 4.1 Jelly Bean 系統，新系統帶來了觸屏響應優化、通知欄優化、Google Now 等大量新特性，同時還展現了 Google 對硬件市場的探索和在終極搜索方向上的努力。