高性能なGSX-R750は人気を博し、1985年3～12月に5,784台（登録台数･全軽協調べ）を販売し、国内二輪車750ccクラスでベストセラーとなった。1986年にはステアリングダンパーや乾式クラッチ、ラジアルタイヤなどを採用した限定仕様車を500台限定で発売した。1985年のルマン24時間耐久レースで優勝したほか、全日本選手権ロードレースF-1クラスのチャンピオンを獲得するなど、数多くの実績をもつGSX-R750レース仕様車の先進技術を盛り込んだ高性能なスポーツ車であった。

新設計アルミフレームは、大型タンクレールやアルミ鍛造部品を活用し、レーシングマシンに匹敵する60％もの剛性アップを実現した。エンジンはショートストローク化でより高回転型としたほか、SACSのオイルの流路を改善してさらに高い冷却効率と理想的な温度分布を達成した。空気抵抗を考慮した新設計のカウリングによって前面投影面積は5.7％低減し、抗力も11%軽減。カウリング前部ダクトから冷気をキャブレター吸入口付近に導くSCAIも新装備した。ホイールベースが1400mmと同クラスで最もコンパクトになったことや、中空キャストの新型ホイールにワイドラジアルを装備したことも特筆に値する。

市販750ccクラス初の倒立式フロントサスペンションを採用したほか、リヤにもフルアジャスト式ショックアブソーバーを採用した。また、1989年4月に発売したレース仕様の限定車、GSX-R750Rのノウハウをベースにエンジンのボア×ストローク、シリンダーヘッド、ピストン、コンロッド、クランクなどを変更した。その他、大口径38mmキャブレター、大きくU字型に湾曲した大型ラジアルフローオイルクーラー、偏平ワイドラジアルタイヤなど、レースで蓄積した技術を数多く応用し、より高い走行性能を実現した。

フルモデルチェンジし、新設計の水冷式DOHCエンジンを搭載。過酷な使用状況下でのエンジンの発熱量を効率良く冷却させるためシリンダーヘッド部とシリンダー部に水冷方式を、ピストン部に油冷方式を採用し、高性能な水冷システムや水冷式オイルクーラーによって耐久性、信頼性を確保した。新設計の水冷エンジンはシリンダーピッチで10mm、クランクケース総幅で57mm縮小され、スリムでコンパクトなものとなった。フレームはコンピュータ解析による角断面アルミダブルクレードルフレームとし、ねじれ剛性を24%向上させた。レース仕様車のノウハウをベースに開発した倒立フロントフォークはフルアジャスタブル式で、減衰力調整は圧側、伸側を無段階調整できた。スプリングイニシャルも無段階調節機構付で、あらゆるシチュエーションに対応できるハイグレードなサスペンションとした。

新設計したツインスパータイプ（エンジン横に2つの太いフレーム材を持つ構造）のアルミフレームに、新設計の25°前傾水冷直列4気筒DOHC4バルブエンジンを搭載。独自のSRADや新型電子制御キャブレターなどの採用によって低回転域からスムーズなレスポンスと高回転域での高出力を実現した。ホイールベースはクラス最短の1400mmとし、車体のコンパクト化を図った。従来比で約3kg軽いフレームや、軽量なマグネシウム製カバー（シリンダーヘッド、スターター、クラッチ、ドライブスプロケットなどのカバー）の採用などによって、92年型で208kgにまでなってしまった乾燥重量を初代GSX-R750型と同じ179kgにまで軽量化した。

大径φ46mmのスロットルボディーを持つフューエルインジェクションを装備。水温、吸気温度、大気圧、吸気圧、スロットル開度、エンジン回転数を検知し、低回転時には主にエンジン回転と吸気圧で、回転数と負荷が増すに従って主にエンジン回転数とスロットル開度で理想的な空燃比を算出する2ステージシステムとした。点火はダイレクトCDIイグニッションコイルを採用。また、エンジン内部パーツを初めとするあらゆるパーツの軽量化、カム諸元変更、クロスミッション採用、リヤショック取り付け部の強度アップなど、多面的に進化させた。

軽量・コンパクト化、クラス最大出力を目指し、エンジンを新設計。シリンダーヘッドカバーを軽量なマグネシウム製としたほか、シリンダーはアッパークランクケースとの一体型とし、軽量化と剛性アップを図った。クランクケースは独特の3分割方式を継承している。これらによって、エンジンは4kgの軽量化に成功した。フューエルインジェクションはスロットルボディーに、ライダーが操作するスロットルバルブと電子制御バルブを持つダブルバルブ方式を採用。トルクとパワー、燃焼効率を向上させた。より軽量化したフレームの採用や、スイングアームを延長しながらも、ホイールベースを1400mmに抑えたことによって操縦安定性とトラクション性能も向上させた。また、カウリングや各部品の小型化・肉抜きなどを徹底して行った結果、乾燥重量は、歴代のGSX-R750シリーズ最軽量の166kgを達成した。

新設計のツインスパーフレームは、ステアリングヘッドとピボット部をアルミ鋳造とし、タンクレールは内部に補強リブの入った「日」の字断面のアルミ押出し材とした。これによってコンパクトで剛性が高いバランスの取れた車体となった。エンジンはボア×ストローク72mm×46mmの750cc水冷4サイクル直列4気筒DOHC 4バルブを搭載。チタン製の吸排気バルブ、シリンダー間をつなぐベンチレーションホール、マルチホールインジェクター、大型湾曲ラジエターの採用などによって、前年モデル比で最高出力は5％、最大トルクは2％、前年モデルから向上した。また、フロントブレーキに、レーサー譲りのラジアルマウントキャリパーを採用したため、ブレーキ効力とブレーキフィーリングが格段に向上した。エンジン、車体ともにコンパクトに設計することで、前年モデルから3kgの軽量化に成功し、乾燥重量は163kgを達成。歴代のGSX-R750の中で最軽量となった。

コンパクトで優れたハンドリング性能を持ったGSX-R600の車体に、応答性に優れて広いパワーバンドを持つ750ccエンジンを搭載した、ワンランク上の性能を持つスーパースポーツのトップパフォーマー。新設計のエンジンは、コンパクト化を進め、前モデル比で高さが34mm低く、長さは57mm短くなった。また、エンジンとシャーシのコンパクト化に伴って、スイングアームを35mm延長できた上に、ライダーの体重移動やライディングポジションの自由度が増したため、走行性能が格段に向上した。エンジンはシリンダー間ベンチレーションホールの拡大（φ35からφ39に）に加えてブリーザリードバルブカバー装着、ツインインジェクターの採用などによって性能が向上した。また、新しく2次バランサーシャフトやバックトルクリミッターを採用したことにより扱いやすさや快適さも向上した。

同時開発したGSX-R600の750ccモデル。インジェクターの変更（ホール数4→8）、マフラーボリュームの拡大、電子制御式ステアリングダンパー、バックトルクリミッター、S-DMSなどの採用によりファインチューニングを施した。スタイリングデザインは、スリム・コンパクト・パフォーマンスのバランスが取れたものとした。

同時開発のGSX-R600の車体に新設計の750cc水冷4サイクル直列4気筒DOHCエンジンを搭載。2010年モデルに対して、装備重量で8kgの軽量化に成功するとともに、ホイールベースは15mm短くなった。これらの変更によってマスの集中化が実現し、コーナリング性能の向上と軽快なハンドリングにつながった。主な軽量化部品は、外観樹脂部品、マフラー、フレーム、フロントフォーク、スイングアーム、フロントブレーキキャリパーなど。また、燃費もWMTCモードで10%改善。ヘッドランプには一目でGSX-Rと分かる縦2灯式を採用、ビルトインターンシグナルやテールランプも小型軽量化し、ベストバランスを実現した。エンジンを新設計することで、エンジン自体を2kg軽量化したのに加えて、メカロス低減と低・中速性能向上も実現。S-DMSとバックトルクリミッターの採用によって乗りやすさも一段と向上した。