Einer der ersten großen Siege auf einem Colnago-Rahmen war 1957, als Gastone Nencini die Ausgabe des Giro d’Italia 1957 auf einem Colnago-Rad gewann. 1960 erlangte Colnago weitere Anerkennung, als Luigi Arienti bei den Olympischen Spielen in Rom eine Goldmedaille auf einem Colnago-Rad gewann. In den späten 1960er Jahren galt Colnago allgemein als einer der Hersteller der weltbesten Stahlrahmen für Straßenrennen.
Während Ernesto der Chefmechaniker des Molteni-Teams war, fuhren Fahrer wie Gianni Motta auf Colnago-Rädern Rennen. Ein Sieg von Michele Dancelli für das Molteni-Team beim Rennen Mailand-San Remo 1970 auf einem Colnago inspirierte Colnago dazu, sein Logo in das inzwischen berühmte „Asso di Fiori“ oder Kreuz-Ass zu ändern. Nach dem Niedergang des Faema-Teams schloss sich Eddie Merckx dem Molteni-Team an, und was folgte, war eine gegenseitige Innovation – wie Colnago es beschreibt: „Merckx war ein aufstrebender Champion, und ich war ein aufstrebender Fahrradbauer. Es war also eine echte Ehre, für einen großen Champion wie Merckx zu arbeiten. Es half uns zu wachsen… als wir spezielle Gabeln und spezielle Fahrräder herstellten.“ Dazu gehörte auch der superleichte Stahlrahmen, mit dem Merckx 1972 den Weltrekord im Ein-Stunden-Rennen brach.
Mit dem wachsenden Ruf, den Colnago durch seine Rennsiege erlangte, stürzte sich das Unternehmen in den Markt für Serienräder. In den USA erlebten die frühen siebziger Jahre einen weiteren Fahrradboom, und Colnago „produzierte Fahrräder, als stünde die Zukunft der Menschheit auf dem Spiel.“ Die Hauptstütze der Colnago-Linie in den 1970er Jahren war das Super, gefolgt vom Mexico, benannt zu Ehren des erfolgreichen Stundenversuchs. Es kamen weitere Modelle hinzu, darunter das Superissimo und das Esa Mexico. Während die Verarbeitung dieser frühen Colnagos variabel sein konnte, waren sie großartige Fahrräder und entwickelten eine kultähnliche Anhängerschaft.
Im Jahr 1979 überreichte Ernesto Colnago Papst Johannes Paul II. ein maßgefertigtes, vergoldetes Stahlfahrrad.
Als Reaktion auf die Kritik, seine Rahmen seien nicht steif genug, experimentierte Colnago mit Möglichkeiten, das Verhalten der Rahmenkomponenten zu verändern. 1983 führte er das Oval CX mit einem oval geformten Oberrohr ein, um die Steifigkeit zu erhöhen. Danach experimentierte er mit verschiedenen Rahmen mit gequetschten Rohren, die als Spitzenmodelle in die Produktion aufgenommen wurden, beginnend mit dem „Super Profil“ und dem „Master“. Später erweiterten „Master-Light“, Master Olympic und Master Più die Palette. Colnago baute einen Rahmen aus Columbus-Rohren, mit dem Giuseppe Saronni 1982 die Weltmeisterschaft im Profi-Straßenrennen gewann, und danach wurde eine kurzlebige Kollektion von Fahrrädern mit dem Namen Saronni versehen. Im Jahr 1983 gewann Giuseppe Saronni das Etappenrennen Giro d’Italia auf einem Colnago-Rad. Stahlrahmen, die Rennen gewinnen, haben Colnagos Ruf begründet: „Zusammen gewannen Eddy Merckx und Giuseppe Saronni zwischen 1965 und 1988 719 Rennen, und der Großteil dieser Siege wurde auf einem Colnago aus Stahl errungen. Ernesto Colnago entwarf den Master-Rahmen erstmals 1982 als Ersatz für das Mexico, das nach Eddy Merckx‘ erfolgreichem Stundenrekord in Mexiko-Stadt benannt war. Im Laufe von 17 Jahren im Profi-Peloton wurde das Master zu Hunderten von Siegen gefahren, und es gibt nur wenige Fahrräder, die einen solchen Palmarès haben.“:
Seit den 1980er Jahren produzierte Colnago zwar weiterhin hochwertige Stahlfahrräder, begann aber auch, Fahrradrahmen aus anderen Materialien als Stahl herzustellen, darunter Titan-, Aluminium-, Karbon- und Mischmaterialrahmen. Ein einzigartiger Rahmen aus dieser Zeit, das Bititan, hat ein Doppel-Titan-Unterrohr. Für das Tecnos – eines der leichtesten Serienfahrräder aus Stahl – wurden gewellte und übergroße Rohre verwendet. Ähnlich gebördelte, übergroße Aluminiumrohre wurden für den Dream-Rahmen verwendet. 1981 stellte Colnago den Prototyp des CX Pista vor – ein Voll-Monocoque-Rad aus Kohlefaser mit Scheibenrädern, das auf der Mailänder Fahrradmesse gezeigt wurde. In der Folgezeit arbeitete Colnago mit Ferrari an der Entwicklung neuer Kohlefasertechnologien, und Ernesto schreibt den Ferrari-Ingenieuren auch zu, dass sie ihn in Bezug auf das Gabeldesign herausforderten, was zu Colnagos innovativer Precisa-Stahlgabel mit geraden Blättern (1987) führte. Colnago experimentierte auch mit Rahmen aus mehreren Materialien, darunter das CT-1 und CT-2 mit Hauptrohren aus Titan, Gabeln und Hinterbaustreben aus Kohlefaser und ein ähnlich konstruierter (wenn auch kurzlebiger) Master-Rahmen mit Hauptrohren aus Stahl, Gabeln und Streben aus Kohlefaser.
Colnagos frühe Versuche mit Kohlefaserrahmen waren kommerziell nicht erfolgreich, aber die daraus gezogenen Lehren flossen in ihre Flaggschiff-Rahmen ein, wie das C-40, das begehrteste Fahrrad (1994), und sein Nachfolger, das C-50 (2004) – benannt nach Colnagos 40- und 50-jährigem Jubiläum im Fahrradbau. Diese Kohlefaserrahmen setzten neue Maßstäbe für Spitzenleistungen. Sie wurden mit einer modifizierten Form der traditionellen Fahrradrahmenkonstruktion gebaut, bei der die Mikroinfusionsguss-Stahlnasen durch Carbonfaser-„Rohre“ und die komplexen Stahlrohre der Stahlrahmenkonstruktion durch Carbonfaser-„Rohre“ ersetzt wurden. Ähnliche Bautechniken kommen auch beim neuesten Angebot, dem C59, zum Einsatz, das (wie zuvor) nach seinem Produktionsjahr benannt ist. Obwohl wir die Verbreitung von Karbonrahmen als selbstverständlich ansehen, war ihr Erfolg keine ausgemachte Sache:
„Als wir das C40 bauten, waren wir die Einzigen, die Karbonrahmen bauten, und alle Mechaniker und Techniker der Konkurrenz sagten, dass sie für den Einsatz auf Kopfsteinpflaster zu gefährlich seien, insbesondere mit den geraden Karbongabeln. Es gab eine Firma, die das Fahrrad mit Federgabeln ausstatten wollte, aber ich wollte keine Federgabeln am C40 haben. In der Nacht vor Paris-Roubaix hatte ich Herrn Squinzi, den Chef von Mapei, am Telefon, der mir seine Bedenken bezüglich der Verwendung eines so heikel aussehenden Dings mitteilte. Ich sagte ihm, dass wir alle möglichen Tests am Rahmen und an der Gabel durchgeführt hätten und dass wir sicher seien, dass es keine Probleme geben würde. Ich musste die persönliche Verantwortung für das, was passieren würde, übernehmen und verbrachte die ganze Nacht damit, mir darüber Gedanken zu machen, wobei ich kaum schlafen konnte. Aber als ich hörte, dass 4 Mapei-Fahrer in der Ausreißergruppe waren, wusste ich, dass ich mich entspannen konnte.“
Das C40 hat in 6 Jahren 5 Ausgaben von Paris-Roubaix gewonnen. Überraschenderweise war der Sieg von Tadej Pogačar bei der Tour de France 2020 das erste Mal, dass der Sieger der Gesamtwertung ein Fahrrad der Marke Colnago fuhr, denn Merckxs Siege waren auf Fahrrädern einer anderen Marke.
Ein Interview mit Ernesto Colnago, in dem er verschiedene ikonische Colnagos beschreibt (gefilmt im Werksmuseum), ist hier auf YouTube verfügbar.