La montée en L2 permet la séparation du club en deux entités: pro et amateur. Malgré peu de moyens et d'insuffisantes infrastructures, le club Bourguignon réalise une superbe 4^e place lors de sa première saison en Ligue 2. Dijon réalise lors de la même saison l'exploit d'éliminer les Girondins de Bordeaux en 16^e de finale de la Coupe de la Ligue (buts de Heitzmann et Mangione).

Lors de la saison 2005-2006, le club finit à la 5^e place. L'ambition du club est maintenant de monter en Ligue 1. Et lors de la saison 2006-2007, le club a plusieurs fois l'occasion de monter sur le podium mais manque à chaque fois l'occasion. Le DFCO termine à la 8^e place. Juin 2007 marque la fin de l'ère Garcia qui va entraîner Le Mans et le départ de nombreux cadres comme Asuar et Avezac vers Ajaccio, Masson vers Brest ou Grégoire à la retraite. C'est une véritable cure de rajeunissement que subit le DFCO. Le nouvel entraîneur est Serge Romano qui ambitionne d'amener le club vers l'élite française mais il échoue, même si le DFCO atteint le podium de L2 pour la première fois de son histoire. La suite est moins glorieuse avec une véritable chute au classement. Serge Romano est limogé le 17 décembre 2007. Il est remplacé par Faruk Hadžibegic le 22 décembre 2007 qui, après un interim de Bompard, prend ces fonctions
en janvier 2008. Le nouvel entraîneur sauve alors le club d'une relégation toute proche. Le maintien en Ligue 2 est acquis à l'issue de la dernière journée de championnat, à la faveur d'un match nul (1-1) sur le terrain de l'AC Ajaccio malgré un penalty manqué. Dans le même temps, le 15 avril 2008, le club atteint les quarts de finale de la coupe de France mais s'incline contre Amiens 1-0 à cause d'une mauvaise relance de Barel Mouko qui avait fait un très bon match jusque là (il a même arrêté un penalty).

La saison 2008-2009 est marquée par l'arrivée de l'international français Éric Carrière. Malgré cet apport, le DFCO oscille entre milieu et fin de tableau mais le maintien est assuré dès le mois d'avril. La coupe est l'occasion d'une confrontation face à une équipe de Ligue 1 : Grenoble, rencontre perdue aux tirs aux but après un match nul 1-1.

Lors de l'intersaison en 2009, le président Gnecchi et l'entraîneur de l'époque, Faruk Hadžibegić, se sont affrontés par journaux interposés sur un litige dont les supporters ont bien du mal à comprendre la principale cause. Dans leur viseur se trouve tout de même le nouveau directeur sportif, Frédéric Dobraje. Les Téméraires ont même manifesté devant le stade pour exprimer leur mécontentement suite au licenciement de l'entraîneur. Bernard Gnecchi choisit Patrice Carteron, ancien entraîneur de Cannes pour prendre la suite d'Hadžibegic. N'ayant pas le DEPF, Carteron est couvert lors de la saison 2009-2010 par Noël Tosi, premier entraîneur du DFCO et qui occupe la fonction de directeur technique, puis par Olivier Dall'Oglio lorsque celui-ci devient adjoint lors de l'été 2010. A l'heure actuelle, le Dijon FCO n'a toujours pas connu la relégation.