Attorno al III sec. a. C. la città etrusca raggiunge il massimo sviluppo. Alleatasi con Roma nella lotta contro l'invasione dei Galli Senoni, accoglie stabilmente un presidio militare romano, divenendo per circa due secoli, grazie alla sua posizione strategica sulla via Cassia, il fulcro dell'espansione di Roma verso 1'Italia settentrionale.
Al II sec. a.C. risale la costruzione, sulla vicina collina di Castelsecco, del santuario e delle poderose mura perimetrali. Nel periodo repubblicano (I sec. a. C.), Arezzo è definitivamente entrata nell'orbita romana; durante le guerre civili si schiera, successivamente, con Mario e Pompeo, subendo la punizione di Sillae Cesare, che ne fanno una colonia. Successivamente costituita in municipium, la città romana conosce in epoca augustea la prima, notevole espansione verso la pianura sul versante S della collina: sono ampliate le mura, sorgono 1'Anfiteatro (II sec., unico edificio pubblico sfuggito alle successive distruzioni barbariche), il teatro, le terme.
Grande impulso all'attività economica ed artistica è dato da Caio Cilnio Mecenate (68 ca.-8 a.C.), appartenente ad una potente famiglia aretina, divenuto ministro e consigliere dell'imperatore Ottaviano Augusto. In città si diffonde l'industria della "terra sigillata": i vasi corallizzi prodotti dai vasai aretini si diffondono fino agli estremi confini dell'impero (India).
Nell'alto Medioevo il crollo del mondo romano, le scorrerie barbariche, il lungo periodo della dominazione longobarda e carolingia vedono la città, ridottisi gli abitanti e le attività, ritirarsi sulla collina. Dal disfacimento dell'ordinamento pubblico dei secoli X ed XI emerge progressivamente la figura del vescovo-conte, che vive nel castello fortificato di Pionta (Duomo Vecchio) dirimpetto alla città e che comincia a fregiarsi primo esempio in Italia - del titolo comitale a partire dal 1059.