Los bizantinos apoyaron a Roma en la guerra contra el rey sirio Antíoco III (191-188 a.C.). A cambio de ésta y otras ayudas, Roma reconoció a Bizancio como una ciudad aliada y libre. Más adelante pasó a estar bajo control del Imperio romano y se vio obligada a pagar tributo hasta el reinado del emperador Claudio I (41-54 d.C.). En la guerra entre el emperador Lucio Septimio Severo y Cayo Pescennio Níger, en el 194, Bizancio se puso de parte de Pescennio. Severo capturó Bizancio en el 196, revocó sus privilegios y demolió sus muros, reconstruyéndola de nuevo, bajo el nombre de Augusta Antonina.

En el 324, Constantino I el Grande, el primer emperador romano que se convirtió al cristianismo derrotó a su coemperador Licinio cerca de Bizancio y en el 326 comenzó la reconstrucción de la ciudad como la nueva capital imperial, "la nueva Roma". Ésta fue inaugurada en el 330, bajo el nombre de Constantinopla. La nueva ciudad se construyó sobre siete colinas, a semejanza de Roma. En el 395 D.C, Constantinopla se convirtió en la capital del imperio romano de oriente, también conocido como imperio bizantino. Pero en la época se la llamo simplemente Roma, y sus ciudadanos eran romanos. El idioma oficial era el griego.

Debido a su importancia cultural y política la ciudad fue atacada en numerosas ocasiones, los árabes (673-678, 717-718), los búlgaros (813, 913) y los ejércitos de la cuarta Cruzada, que conquistaron la ciudad en dos ocasiones (1203, 1204). Concretamente en el 1204 Los cruzados, entonces aliados con la república de Venecia, saquearon y tomaron el control de la ciudad, estableciendo además el Imperio Latino de Constantinopla.

El emperador Miguel VIII Paleólogo recuperó Constantinopla de manos de los latinos en 1261 y fundó la dinastía de los Paleólogo, que gobernó hasta 1453. Pero el imperio estaba decadente y el de los turcos otomanos en pleno ascenso. Ellos conquistaron los restos del Asia Menor bizantina a principios del siglo XIV. Después de 1354 ocuparon los Balcanes y finalmente tomaron Constantinopla en el 1453.

Durante el periodo de vigencia del Imperio Bizantino, la ciudad se convirtió en uno de los mayores y más ricos centros de la cristiandad, al igual que su símbolo, la Iglesia de la Santa Sabiduría, el mayor templo cristiano del planeta.