La percée de la via Egnatia ou voie égnatienne (146-120 av. J.-C.), qui reliait Dyrrachium à l’Évros, contribua à faire de Thessalonique un grand centre commercial, politique et militaire. Le tétrarque Maximien Galère (Gaius Galerius Valerius Maximianus), né en 250 et mort en 311, y transféra son siège au cours de son mandat de césar. Il se fit bâtir un palais grandiose, un hippodrome, un arc de triomphe (la Kamara) et érigea la ville en capitale des Balkans.

Le séjour de Constantin le Grand à Thessalonique (322-323) est lié à la réalisation de grands travaux d’aménagement urbain, comme celle du port à son extrémité sud-occidentale. Le IVe siècle est une période de profondes mutations pour la ville. Il est marqué par le triomphe du christianisme, plus de trois siècles après le passage de l’apôtre Paul. La fin de ce siècle (390) sera assombrie par le massacre de milliers de Thessaloniciens dans l’hippodrome sur l’ordre de l’empereur Théodose Ier. À la fin du Ve s., la transformation de la cité romaine en centre chrétien était consommée.