Una de las primeras grandes victorias con un cuadro Colnago fue en 1957, cuando Gastone Nencini ganó la edición de 1957 del Giro de Italia en una bicicleta Colnago. En 1960, Colnago alcanzó un mayor reconocimiento cuando Luigi Arienti consiguió la medalla de oro en los Juegos Olímpicos de Roma con una bicicleta Colnago. A finales de la década de 1960, Colnago era considerado uno de los mejores fabricantes de cuadros de acero para carreras en carretera del mundo.
Mientras Ernesto era el mecánico jefe del equipo Molteni, corredores como Gianni Motta corrían con bicicletas Colnago. Una victoria de Michele Dancelli con una Colnago en la Milán-San Remo de 1970 para el equipo Molteni inspiró a Colnago a cambiar su logotipo por el ahora famoso «Asso di Fiori» o As de Tréboles. Tras la desaparición del equipo Faema, Eddie Merckx se unió al equipo Molteni, y lo que siguió fue una innovación mutua, tal y como lo describe Colnago: «Merckx era un campeón emergente, y yo era un constructor de bicicletas emergente. Así que fue un verdadero honor trabajar para un gran campeón como Merckx. Nos ayudó a crecer… cuando hicimos horquillas especiales, y bicicletas especiales». Esto incluía el cuadro de acero superligero que Merckx utilizó en 1972 para batir el récord mundial de la hora.
Con una reputación creciente gracias a sus victorias en las carreras, Colnago se lanzó al mercado de las bicicletas de producción. En EE.UU., los primeros años de la década de los setenta fueron testigos de otro boom de las bicicletas, y Colnago «fabricaba bicicletas como si el futuro de la humanidad estuviera en juego». El pilar de la línea de Colnago en la década de 1970 fue la Super, seguida de la México, llamada así en honor al exitoso intento de la hora. Se añadieron otros modelos, como el Superissimo y el Esa Mexico. Aunque los acabados de estas primeras Colnago podían ser variables, eran bicicletas de gran calidad y desarrollaron un culto a las mismas.
En 1979, Ernesto Colnago regaló al Papa Juan Pablo II una bicicleta personalizada de acero chapado en oro.
En respuesta a las críticas de que sus cuadros no eran lo suficientemente rígidos, Colnago experimentó con formas de cambiar el comportamiento de los componentes del cuadro. En 1983, introdujo el Oval CX con un tubo superior de forma ovalada para añadir rigidez. A continuación, experimentó con varios cuadros de tubo ondulado que se convirtieron en modelos de producción como sus cuadros de gama alta, empezando por el «Super Profil» y el «Master». Más tarde, «Master-Light», Master Olympic y Master Più ampliaron la gama. Colnago construyó un cuadro con tubos Columbus que Giuseppe Saronni utilizó para ganar el campeonato mundial de ciclismo profesional en carretera en 1982, y posteriormente se creó una breve colección de bicicletas con el nombre de Saronni. En 1983, Giuseppe Saronni ganó el Giro de Italia por etapas con una bicicleta Colnago. Los cuadros de acero que ganaban carreras hicieron la reputación de Colnago: «Entre ambos, Eddy Merckx y Giuseppe Saronni ganaron 719 carreras entre 1965 y 1988, y la mayor parte de esas victorias fueron a bordo de una Colnago de acero. Ernesto Colnago diseñó por primera vez el cuadro Master en 1982 como sustituto del México, que recibió su nombre del exitoso récord de la Hora de México de Eddy Merckx. A lo largo de 17 años en el pelotón profesional, la Master consiguió cientos de victorias, y hay pocas bicicletas que tengan semejante palmarés»:
Desde la década de 1980, aunque Colnago siguió produciendo bicicletas de acero de alta gama, empezó a fabricar cuadros de bicicleta con materiales distintos al acero, como cuadros de titanio, aluminio, carbono y materiales mixtos. Un cuadro único de esta época, el Bititan, tiene un doble tubo diagonal de titanio. En la Tecnos, una de las bicicletas de acero más ligeras producidas, se utilizaron tubos ondulados y sobredimensionados. También se utilizaron tubos de aluminio sobredimensionados en el cuadro Dream. En 1981, Colnago creó un prototipo de la CX Pista, una bicicleta de fibra de carbono totalmente monocasco con ruedas de disco que se presentó en la feria de la bicicleta de Milán. Posteriormente, Colnago colaboró con Ferrari en el desarrollo de una nueva tecnología de fibra de carbono, y Ernesto también reconoce que sus ingenieros le desafiaron en el diseño de la horquilla, lo que dio lugar a la innovadora horquilla de acero Precisa (1987). Colnago también experimentó con cuadros multimateriales, como los CT-1 y CT-2 construidos con tubos principales de titanio, horquillas y tirantes traseros de fibra de carbono, y un cuadro Master de construcción similar (aunque de corta duración) construido con tubos principales de acero, horquillas y tirantes de carbono.
Los primeros intentos de Colnago con los cuadros de fibra de carbono no tuvieron éxito comercial, pero las lecciones aprendidas se plasmaron en sus cuadros insignia, como el C-40, la bicicleta más solicitada (1994), y su sucesor, el C-50 (2004), llamados respectivamente así por los 40 y 50 años de Colnago en la construcción de bicicletas. Estos cuadros de fibra de carbono establecieron nuevos estándares de excelencia. Se construyeron utilizando una forma modificada de construcción tradicional de cuadros de bicicleta, sustituyendo los tacos de fibra de carbono por acero fundido por microinfusión, y los «tubos» de fibra de carbono por los complejos tubos de acero utilizados en la construcción de cuadros de acero. Técnicas de construcción similares se utilizan en la última oferta, la C59, llamada (como antes) por su año de producción. Aunque damos por sentada la difusión de los cuadros de carbono, su éxito no estaba previsto:
«Cuando construimos la C40 éramos los únicos en construir cuadros de carbono y todos los mecánicos y técnicos de la competencia decían que serían demasiado peligrosos para utilizarlos en carreteras empedradas, especialmente con las horquillas rectas de carbono. Había una empresa que quería montar horquillas de suspensión en la bicicleta, pero yo no iba a tener horquillas de suspensión en la C40. La noche anterior a París-Roubaix, el Sr. Squinzi, el jefe de Mapei, me llamó por teléfono para expresarme su preocupación por el uso de una cosa de aspecto tan delicado. Le dije que habíamos hecho todas las pruebas posibles con el cuadro y la horquilla y que estábamos seguros de que no habría ningún problema. Tuve que asumir la responsabilidad personal de lo que iba a ocurrir y me pasé toda la noche preocupado por ello, sin apenas poder dormir. Pero cuando me enteré de que había 4 corredores del Mapei en la escapada, supe que podía estar tranquilo»
El C40 pasó a ganar 5 ediciones de la París-Roubaix en 6 años. Sorprendentemente, la victoria de Tadej Pogačar en la edición de 2020 del Tour de Francia supuso la primera vez que una bicicleta de la marca Colnago era montada por el ganador de la clasificación general, desde que las victorias de Merckx fueron a bordo de bicicletas de otra marca.
Una entrevista con Ernesto Colnago en la que describe varios iconos de Colnago (filmada en el museo de la fábrica) está disponible en YouTube aquí.