Vào năm 2019, Espressif đã giới thiệu ESP32-S2, một chip mới dựa trên một CPU lõi Xtensa LX7 duy nhất với tốc độ xung nhịp lên đến 240 MHz. Nó có khả năng 64 FLOPS mỗi chu kỳ và bao gồm 320 kB SRAM, 128 kB ROM và 16 kB bộ nhớ RTC.[61]

Vào năm 2020, Espressif đã công bố ESP32-C3, một chip mới dựa trên lõi đơn CPU RISC-V 32-bit với tốc độ xung nhịp lên đến 160 MHz. Nó bao gồm 400 kB SRAM và 384 kB không gian lưu trữ ROM được tích hợp sẵn.[62]

Vào ngày 1 tháng 12 năm 2020, Espressif công bố ESP32-S3, một bộ vi điều khiển mới có CPU Xtensa LX7 lõi kép với tốc độ xung nhịp lên đến 240 MHz, 384 KB RAM và thêm 384 KB SRAM. Lõi LX7 có các phần mở rộng mới cho tập lệnh LX7 nhằm cải thiện hiệu suất của các ứng dụng Trí tuệ nhân tạo trên nền tảng Espressif. Dòng S3 tích hợp bảo mật cấp phần cứng được cải thiện của dòng S2, cũng như các tính năng khác của ESP32-S2 bao gồm hỗ trợ USB On-The-Go và triển khai cảm biến touchpad được cải tiến. ESP32-S3 cũng có tới 44 GPIO có thể lập trình được. Nó cũng mang đến một số tính năng của loạt vi điều khiển ESP32 ban đầu, đáng chú ý nhất là hỗ trợ Bluetooth 5 và Bluetooth LE, bộ điều khiển máy chủ SD/MMC và ngoại vi "World Controller" cung cấp môi trường thực thi hoàn toàn biệt lập cho các ứng dụng quan trọng về bảo mật.[63]