Se fecha la fundación romana hacia el año 15 a.e.c., coincidiendo con la reorganización de las provincias de Hispania llevada a cabo por Augusto tras su victoria en las Guerras Cántabras. La nueva ciudad recibe el nombre de Colonia Caesaraugusta, siendo la única ciudad romana que gozó del privilegio de ostentar el nombre completo de su fundador.
A partir del siglo III, Caesaraugusta también sufre el proceso de crisis generalizado en todo el mundo romano y prueba de ello es la construcción de una potente muralla (segunda mitad del siglo III), el abandono de grandes obras públicas como la red de alcantarillado o de abastecimiento de agua, y la destrucción de edificios públicos para reutilizar sus materiales constructivos en las nuevas obras civiles en el caso del teatro, para construir la muralla. No obstante, las noticias que hay sobre la época nos hablan del mantenimiento de la vida urbana y la actividad comercial siendo frecuentes las importaciones entre las que destacan los sarcófagos paleocristianos conservados en la iglesia de Santa Engracia.
A lo largo del siglo V Caesaraugusta se ve inmersa en un proceso de desintegración del poder imperial. En el año 409 se produce la llegada a Hispania de los primeros contingentes bárbaros, que habían invadido el territorio romano tres años antes. Desde entonces Caesaraugusta se convierte en una ciudad estratégica, por su situación y sus imponentes murallas, que juega un importante papel en las luchas por el trono de Roma. Incluso en este siglo fue sede imperial dos veces, aunque muy brevemente: en el año 410, durante el reinado de Constante, y en el 460, durante el reinado de Mayoriano. Las continuas incursiones de bandas de campesinos y ciudadanos arruinados, esclavos fugitivos, desertores y montañeses motivaron la intervención del ejército visigodo, aliado de Roma.