初音未来等早期虚拟偶像所掀起的文化狂潮使各行各业敏锐地意识到了这一新产物背后巨大的经济潜质，与此同时，日渐庞大的受众群体促使整个行业加速了虚拟偶像的多维技术融合。在初音未来面世后的数年后中，3D建模、全息投影等技术的成熟与应用使得虚拟偶像走出了单纯模拟声觉的困境，完成了声觉与视觉融合的成功转型。通过精致的建模和AI算法加持，这一时期的虚拟偶像实现了复杂的表情与动作管理，以一种更加灵动的姿态出现在受众面前，画面不再是声音的附属属性，而是成为与声音效果并驾齐驱的决定性因素。
随着VOCALOID的更新优化，这一时期的虚拟偶像也在中国率先完成了本土化转型，以中文声音库为基础的洛天依、言和、乐正绫等中国虚拟偶像自2012年起相继面世。相较于早期虚拟偶像，第二代虚拟偶像拥有更加精致的容貌和更有韵味的声线，其本土化背景下产出的内容也更贴合当时逐渐盛行的国风文化。适逢Bilibili、Acfun等高度社群化的视频平台崛起，自初代虚拟偶像继承而来的参与式文化在这样一个“回音室”中得到进一步的强化。众多因素的交织作用下，虚拟偶像在中国迎来了有别于日式“舶来品”的全新姿态。
得益于虚拟偶像新颖的表现方式和优秀的传播效果，许多传统媒体开始探索与虚拟偶像交互的可行性。真正促使虚拟偶像与传统媒体碰撞出火花的正是全息投影技术的应用。早在2010年世嘉公司主办的初音未来“未来之日39感谢祭”演唱会就率先使用了全息投影技术，这也使得初音未来成为世界上第一个全息化的虚拟偶像，标志着虚拟偶像的视觉呈现正式迈入3D时代。而国内也不乏利用全息技术的大胆尝试。在2016年，洛天依以全息投影的姿态与杨钰莹同台登上湖南卫视春晚合唱歌曲《花儿纳吉》，这也是中国首位在传统媒体亮相的虚拟偶像。
这一时期的虚拟偶像继续走在“模拟人类特征”的发展的道路上，技术的发展填补了早期虚拟偶像在视觉方面的缺位，使得虚拟偶像拥有更深层次的拟人化特征。与此同时，声觉与视觉的联动使得创作者们能够为虚拟偶像赋予更为深层的精神特质，从早期使用“阳光”、“乐观”等单调的形容词勾勒面貌，到后来加入“吃货”、“运动达人”、“古风”等细腻的标签，虚拟偶像的逐渐拥有了人格化的潜质，在这一转换过程中剥离“歌声引擎”的外壳转而实现更进一步的拟人化。
