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.
En la fundación de la nueva colonia se desarrolla de acuerdo con el rito tradicional romano, participaron soldados veteranos, licenciados tras la dura campaña contra los cántabros, con la doble intención de garantizar la defensa del territorio a la vez que fijar en él la presencia de Roma. Caesaraugusta, también, es fundada como "Colonia Inmune", lo que supone entre otros privilegios el derecho a acuñar moneda y la exención del pago de impuestos. El Convento Jurídico Caesaraugustano es el más extenso de los siete en los que se divide la Provincia Tarraconense. Desde un principio, Caesaraugusta asume el papel de cabecera regional, sustituyendo en esta función a la Colonia Victrix Ivlia Celsa (Velilla de Ebro), y aprovechando su excelente ubicación en un enclave estratégico de primer orden como cabeza de puente sobre el río Ebro en un cruce de caminos junto a la desembocadura de los ríos Gállego y Huerva. El periodo de esplendor de la ciudad se prolonga durante los siglos I y II y a él corresponden las grandes obras públicas, de las que se conocen restos del foro, el puerto fluvial, las termas públicas, el teatro, y de lo que parece ser un anfiteatro. A esta época corresponden también la construcción del primer puente de la ciudad y el establecimiento de un complejo sistema de abastecimiento de agua y saneamiento. El perímetro de la ciudad en estos momentos, excede el que tendrá en los siglos posteriores y la población se extiende hasta la ribera del río Huerva, formando manzanas de casas organizadas a partir de un urbanismo reticular.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.