2000年8月28日、9代目にモデルチェンジ。プラットフォームやエンジンが一新され、NZ、ZZ系エンジンが採用される。
通称NCV[43]シリーズ[44]と呼ばれる。フロントグリルのエンブレムも、それまでのカローラ（花冠）マークではなく、NCVを図案化したものに変更された。また、このNCVエンブレムはセダンのアシスタパッケージ[45]にはフロントグリルに付けられていない。代わりに、トヨタのCIエンブレムがフロントグリルに付けられている。[46]また、一時はカローラの名前を廃止する計画もあったが、最終的に日本を代表する車名という事もあり残されることになったという。
プラットフォームは、V50系ビスタ用およびT230系セリカをベースに再設計および縮小化し、E110系[47]と比較し更なる軽量化を図り走行安定性向上のため、リヤサスペンションが先代の独立懸架式[48]からトレーリングビーム[49]に変更された。全高はE110系カローラセダンに対して90mmも高くなり[50]、全長で50mm[51]、全幅で5mmとそれぞれ拡大し、ホイールベースはT230系セリカと同じく2600mm[52]にまで延長されている。尚、4輪駆動車用には前述のT230系セリカとほぼ共通したバイザッハ・アクスル方式のダブルウィッシュボーン式独立懸架が採用されている。スポーツモデル[53]はこの代で廃止された。[54]。
カローラにとっては初のVSC[55]やTRC[56]といった安全装備が採用された[57]。セダンには1ZZ-FE型1800cc[58]と1NZ-FE型1500cc[59]、セダン専用の2NZ-FE型1300cc[60]の3種類のエンジンが搭載され、フィールダーとランクスには前述3種類のエンジンに加え、2ZZ-GE型1800cc[61]が搭載される。ちなみにガソリンエンジン全車、カムシャフトはタイミングチェーンによって駆動される[62]。4ドアセダンのボディのcd値は前期型から後期型まで0.29。また、フィールダー、ランクスのcd値は前期型から後期型まで共に0.30であった。
2001年10月9日の一部改良に伴い、セダンの「1.8ラグゼール」 (LUXEL) に本革シート（カローラ初）を標準装備した「1.8ラグゼール・プレミアムエディション」が追加された。同時に車体色も1色追加されている[63]。
2002年9月19日に行われた最初のマイナーチェンジでは、エクステリアデザインおよびインテリアデザインの若干の変更[64]、セダン、フィールダー、ランクス全車のリアシートの中央部に新たにヘッドレストが装備された。
2004年4月28日に行われた2度目のマイナーチェンジでは、セダンとフィールダーは特にフロントノーズ周辺の造形が中期型までの丸みを帯びた造形から、押し出しや目鼻立ちを強調した若干角ばった造形に刷新された[65]。同時にインテリアデザインも大幅に刷新されている[66]。また、セダンの1.8ラグゼールにはE100系セダンの前期型の1600SE-G以来、パワーシートが再び採用された。
2004年4月のマイナーチェンジまでは、セダンとフィールダーに3C-E型2200ccディーゼルエンジン[67]も用意されていたが、3C-E型ディーゼルエンジン自体の旧態化[68]および日本国内の環境規制に対応できないため、日本国内仕様のラインナップからは外された。ちなみに、2000年代以降に市販された日本国内向けのトヨタのディーゼルエンジンを搭載した小型乗用車としてはE120系カローラセダン/E120G系フィールダーを最後に前述の通り開発、製造および販売が完全に途絶えている。
3代目カローラの1977年1月のマイナーチェンジ以降（E50系）から、2006年10月のフルモデルチェンジ直前までの9代目カローラ（E120系）まで、およそ30年間存在したカローラの1300ccモデルは、このE120系（セダンのみ）が最後となった。また、全グレードにSuper ECTを用いた電子制御4速ATの採用も、このE120系が最初で最後であった。