Im Januar 2003 wurde auf der North American International Auto Show der hinsichtlich Design und Abmessungen nicht wesentlich veränderte Nachfolger vorgestellt. Der 3,0-Liter-Motor im RX 300 für Europa leistete nun 150 kW statt 148 kW, während in Nordamerika im RX 330 ein 3,3-Liter-Motor zum Einsatz kam. Wichtigste Neuheiten waren ein neues 5-Stufen Automatikgetriebe mit Schaltgasse für manuelle Gangwechsel und eine neue Luftfederung.
In der japanischen Version (Toyota Harrier) wurde der weltweit erste Notbremsassistent eingeführt.
Mit der im Frühjahr 2006 erfolgten Modellpflege kam in Europa ein neuer V6-Motor im RX 350 zum Einsatz. Neuerungen der zweiten Generation waren eine Mark-Levinson-Hi-Fi-Anlage (210 Watt) mit elf Lautsprechern, eine verbesserte GPS-Navigation, ein Rear-DVD-Entertainment-System mit drahtlosen Kopfhörern, ein Panorama-Schiebedach, eine elektrisch schließende Heckklappe, Xenon-Scheinwerfer mit Kurvenlicht und eine semiaktive Luftfederung (nicht im Hybrid) optional erhältlich.
Als das zweite überhaupt verfügbare Hybrid-Modell war der im Frühjahr 2005 in den Vereinigten Staaten und Japan eingeführte RX 400h seit Frühjahr 2006 auch in Europa erhältlich.
Als Antriebstechnik kam das System Hybrid Synergy Drive mit einem V6-Motor zum Einsatz, zusätzlich treibt ein weiterer mechanisch unabhängiger Elektromotor die Hinterachse an. Gegenüber dem konventionellen Modell wurde die Rücksitzbank leicht angehoben, um Platz für die NiMH-Batterie zu schaffen. Außerdem wurde das Design leicht verändert. Es umfasste Metalleinfassungen anstatt Holzdekor, runde Nebelleuchten, ein geändertes Armaturenbrett sowie einen Kühlergrill mit waagerechten anstatt senkrechter Streben.
Die durch das Hybridsystem begrenzte Höchstgeschwindigkeit betrug 200 km/h. Der kombinierte Verbrauch wurde mit 8,1 l/100 km Superbenzin angegeben.