Eine Sonderform des Riemens, der für eine formschlüssige Kraftübertragung sorgt, ist der Zahnriemen (auch Synchronriemen). Dabei sind auf der Innenseite des Riemens, ähnlich einer Kette, Zähne aus Gummi (Neopren) oder Kunststoff (Polyurethan) ausgeformt, die in ein spezielles Zahnrad eingreifen. Vorteil bei dieser Form ist, dass der Umschlingungswinkel des Riemens auf dem Zahnrad nicht so groß sein muss wie bei den Keil- oder Flachriemen, und dass diese Form der Kraftübertragung keinen Schlupf aufweist. Durch die Möglichkeit von hohen Drehzahlen, seiner Laufruhe und nicht zuletzt durch den Preis ist der Zahnriemen eine Alternative zu Antriebsketten. Als Nachteile gegenüber Ketten sind die schlechtere Temperaturbeständigkeit und die oft geringere Lebensdauer zu nennen.

Die Kraftübertragung erfolgt dabei durch den im Zahnriemen vorhandenen Zugstrang, welcher meist aus Glasfasern oder Aramidfasern (seltener aus Stahlseilen) besteht. Auf der Innenseite des Zahnriemens ist ein abriebfestes Gewebe angebracht, um die aus Elastomer bestehenden Zähne vor Verschleiß zu schützen. Durch die Geometrie des Riemens und der Riemenscheibe kommt es zum Polygoneffekt.

Eine typische Anwendung für Gummizahnriemen ist der Einsatz als Alternative zur Steuerkette für den Antrieb der Nockenwelle von der Kurbelwelle in Viertaktmotoren, vor allem in Kraftfahrzeugen. Da die Nockenwelle die Ventile steuert, ist es notwendig, dass sie genau die halbe Drehzahl der Kurbelwelle aufweist und sich die Phase nicht durch Schlupf verschieben kann. Ein gerissener oder versetzt montierter Zahnriemen führt bei den meisten Motoren zu starken Beschädigungen bis hin zum Totalschaden, da Ventile und Kolben in diesem Fall miteinander kollidieren. Dabei werden in aller Regel auch weitere Motorteile beschädigt. Ausnahmen sind sogenannten Freiläufer bei denen sich die Bewegungspfade von Kolben und Ventilen nicht überschneiden. Manchmal werden moderne Zahnriemen auf Motorlebensdauer ausgelegt und getestet, so dass bei diesen Fahrzeugen entweder kein Wechsel des Zahnriemens mehr vorgeschrieben ist, oder dieser erst bei sehr hohen Laufleistungen (>160.000 km) erfolgen muss.

Auch in Positioniersystemen (über Servomotoren) wie zum Beispiel Verpackungsmaschinen oder Robotern kommen Zahnriemen zum Einsatz.

Zahnriemen können ebenfalls (zweckentfremdet) verwendet werden um Raupen für kleine Roboter zu bauen. Ein weiteres Anwendungsgebiet findet man bei Motorrädern, wo Zahnriemen zum Antrieb des Hinterrades verwendet werden.