Le solex prend un coup de jeune en 1964 avec le S 3300. Par rapport à son prédécesseur, le S 2200 apparu en 1961, le cadre troque ses tubes ronds pour des éléments en tôle emboutie de section rectangulaire et parfaitement rectiligne qui forment un V avec un petit plancher pratique au centre pour les pieds. La selle avec un gros ressort unique est beaucoup plus large et confortable, le phare est rectangulaire et le frein à patin à l'arrière est remplacé par un frein à tambour. Le moteur ne change pas. S 2200 et S 3300 cohabitent quelque temps dans la gamme, le premier affiché à 348 F et le deuxième à 373 F en 1964. Cette même année est d'ailleurs une année record pour Vélosolex avec 339 502 exemplaires vendus. Mais Vélosolex doit faire face à un nouveau concurrent dans le domaine du cyclomoteur économique depuis octobre 1965 avec le Motobécane Cady qui vaut 398 F dans sa version de base. 

Sous une apparente immobilité, les choses bougent dans la continuité chez Vélosolex, et les versions s'enchaînent rapidement. Le concept original est encore amélioré, et ce sera la dernière fois, avec le S 3800. Réceptionné par les mines le 14 mars 1966, c'est une évolution du S 3300. La puissance est identique, mais la démultiplication a été modifiée et le couple moteur augmente. Les publicités proclament "50% de surpuissance en côte". Le 3800 se reconnaît au premier coup d'oeil avec son bandeau rouge sur le filtre a air au-dessus du moteur sur lequel est inscrit S 3800, ses garde-boue plus larges et le tuyau d'échappement plus gros. Le type est aussi indiqué sur le dessus du phare. Le prix ne change pas : 373 F.

Le S 3800 n'empêche pas les ventes d'entamer leur descente. En 1967, 286 431 Vélosolex trouvent preneur et l'écart se creuse avec Motobécane qui écoule cette année-là 625 483 Mobylette. Peugeot n'est encore qu'à 202 779 unités, mais cela va bientôt changer avec la sortie de la série 100 en 1968, année où Vélosolex tente de relancer les ventes auprès des jeunes en proposant enfin autre chose que du noir. Le S 3800 est présenté en juillet en version "Luxe" en rouge ou bleu avec des pneus aux flancs blancs et un moteur peint en gris, une couleur inaugurée pour le Micron en janvier. Vient ensuite un modèle blanc ''Super Luxe'' à garde-boue chromés en octobre 1969. Ces modernisations ouvrent la porte au 5000 qui arrive en 1971 avec des roues plus petites de 16''. Après différentes tentatives de modernisation et d'élargissement de la gamme qui ne convainc pas, les ventes chutent à 35 000 exemplaires en 1976 et seuls les 3800 et 5000 sont encore au catalogue en 1978. Vélosolex est maintenant sous contrôle de Motobécane, le concurrent de toujours, et la réalisation des parties cycle est transférée dans l'usine de Saint-Quentin. Motobécane est à son tour absorbée par Yamaha en 1983 et la fabrication du 3800 cesse en 1987 avec seulement 2787 unités construites pour cette dernière année.