Η Θεσσαλονίκη έγινε η πρωτεύουσα μιας από τι τέσσερις επαρχίες στις οποίες διαιρέθηκε η Μακεδονία από τους Ρωμαίους μετά την κατάρρευση του Μακεδονικού κράτους το 149 π.χ. Διατήρησε όμως κάποιο είδος διοικητικής αυτονομίας που συνέβαλε στην ραγδαία ανάπτυξή της. Ξεκίνησε μία περίοδος άνθισης και η πόλη έγινε η σημαντικότερη της Μακεδονίας.

Η κατασκευή της Εγνατίας Οδού (146 -120 π.Χ.), που ένωνε το Δυρράχιο με τον Έβρο, βοήθησε στην ανάδειξη της Θεσσαλονίκης σε μεγάλο εμπορικό, πολιτικό και στρατιωτικό κέντρο. Ο Τετράρχης Γάϊος Γαλέριος Βαλέριος Μαξιμιανός (250 – 311 μ.Χ), κατά τη διάρκεια της θητείας του ως Καίσαρας, εγκατέστησε εδώ την έδρα του. Ίδρυσε μεγαλόπρεπο ανάκτορο, ιππόδρομο, τη θριαμβική αψίδα (Καμάρα) και ανέδειξε την πόλη σε πρωτεύουσα των Βαλκανίων.

Το 50 μ.χ. ο Απόστολος Παύλος έφτασε στην πόλη ενισχύοντας την τάση δημιουργίας Χριστιανικής κοινότητας, η οποία και δημιουργήθηκε στα μέσα του 3ου μ.χ. αι.

Η παραμονή του Μεγάλου Κωνσταντίνου στη Θεσσαλονίκη στα 322-323 σχετίζεται με την υλοποίηση μεγάλης κλίμακας έργων στην πόλη, όπως είναι το λιμάνι στο νοτιοδυτικό άκρο της. Ο 4oς αιώνας αναδεικνύεται σε περίοδο αλλαγών για την πόλη. Χαρακτηρίζεται από την οριστική πλέον επικράτηση του χριστιανισμού, τρεις τουλάχιστον αιώνες μετά το πέρασμα του Αποστόλου Παύλου από την πόλη, ενώ στην εκπνοή του, το 390, θα σημαδευτεί από τη σφαγή χιλιάδων Θεσσαλονικέων στον ιππόδρομο της πόλης με διαταγή του αυτοκράτορα Θεοδοσίου του Α΄.

Έως τα τέλη του 5ου αι. συντελέστηκε η μετατροπή της ρωμαϊκής πόλης σε χριστιανικό κέντρο.