Στα τέλη του 4ου ή, κατά άλλους, στα μέσα του 5ου αιώνα, κατασκευάζεται η βυζαντινή οχύρωση που αποκρούει τις αλλεπάλληλες επιδρομές των Γότθων, των Οστρογότθων και, αργότερα, των Ούννων. Στην εκπνοή του, ο 4ος αιώνας σημαδεύεται από μεγάλη σφαγή στον Ιππόδρομο με χιλιάδες θύματα. Τόπος καταραμένος πια, ο Ιππόδρομος δεν ξαναλειτούργησε. Η ακμή και ακτινοβολία του 5ου αιώνα στηρίζεται στην ανάδειξη της πόλης σε κομβικό σημείο εμπορίου, σε κέντρο διοικητικό αλλά και θρησκευτικό που διεκδικείται από τον Πάπα. Ενδεικτική είναι και η ύπαρξη νομισματοκοπείου αλλά και εργοστασίου όπλων. Τότε ανθούν τα τοπικά εργαστήρια γλυπτικής και ψηφιδωτών. Λαμπρό δείγμα ψηφιδωτής διακόσμησης προσφέρει η Ροτόντα. Τρίκλιτη δρομική βασιλική είναι η Αχειροποίητος, ο παλιότερος καλύτερα σωζόμενος ναός της Ανατολής. Η παλαιοχριστιανική βασιλική του Αγ. Δημητρίου πιθανολογείται πως ήταν είτε τρίκλιτη είτε πεντάκλιτη με εγκάρσιο κλίτος. Στο εκκλησάκι του Οσίου Δαυίδ, πρώην καθολικό της Μονής Λατόμου, σώζεται περίφημο ψηφιδωτό του Χριστού.