Il maggiore sviluppo urbanistico e monumentale si ebbe nell'età imperiale.
Con Augusto la città venne divisa in 14 regioni. Si completarono gli interventi di Cesare e si avviarono nuovi grandi progetti urbanistici, a partire dalla costruzione di un nuovo Foro di Augusto e dalla regolarizzazione della piazza del Foro Romano con la costruzione del tempio del Divo Giulio e della basilica Giulia e il rifacimento della basilica Emilia.
Con l'aiuto di Agrippa, suo amico e consigliere, Augusto si occupò anche della sistemazione del Campo Marzio, che si andò arricchendo di edifici pubblici e monumenti. Nella zona più periferica venne costruito il suo mausoleo al quale erano inoltre simbolicamente collegati un grande orologio solare, che usava un obelisco come gnomone e l'Ara Pacis.
Nell'area del Circo Flaminio venne costruito il teatro dedicato al nipote Marcello, in prossimità del ricostruito Portico di Ottavia, dedicato in nome della sorella Ottavia, madre di Marcello, e del tempio di Apollo Sosiano.
Innumerevoli infine i restauri e gli adattamenti degli edifici più antichi, che permisero ad Augusto di affermare di aver trovato una città di mattoni e di lasciarla di marmo.
La monumentalizzazione della città proseguì sotto i successori di Augusto. Nel 64, sotto il regno di Nerone uno spaventoso incendio quasi rase al suolo l'intera città. Per favorire un'ordinata ricostruzione e impedire le condizioni che favorivano il diffondersi degli incendi, venne emanato un nuovo piano regolatore, attuato però solo in parte. Approfittando della distruzione Nerone costruì la sua Domus Aurea, che occuperà gli spazi compresi tra Celio, Esquilino (Oppio) e Palatino con un'enorme villa.
Dopo la morte di Nerone, gli imperatori Flavi, restituirono ad uso pubblico parte degli spazi occupati dalla sua residenza, costruendo le terme di Tito sul colle Oppio e il Colosseo. Sotto i Flavi si eressero inoltre, l'arco di Tito, il tempio della Pace, il foro di Nerva, i palazzi imperiali sul Palatino ("Domus Flavia e "Domus Augustana") e uno Stadio di Domiziano, oggi ricalcato da piazza Navona.
Con Traiano si completò la serie dei Fori Imperiali con la grande piazza del Foro di Traiano, nel quale venne collocata la celebre Colonna coclide, e il contiguo complesso dei Mercati di Traiano. Vennero inoltre costruite le terme sul colle Oppio.
Ad Adriano si deve il Pantheon nel suo attuale aspetto e la costruzione di un Mausoleo, oggi trasformato in Castel Sant'Angelo, ma l'attività edilizia rallentò considerevolmente. Si ebbero ancora il tempio di Adriano, inserito più tardi nel Palazzo della Borsa, il tempio di Antonino e Faustina nel Foro Romano, la Colonna antonina dedicata a Marco Aurelio. Sotto i Severi furono innalzati l'arco di Settimio Severo e le terme di Caracalla.
Nel corso del III secolo, quando per la grande crisi politica e militare gli imperatori non furono quasi mai presenti nella capitale dell'impero, l'attività edilizia si arrestò quasi del tutto. Vennero tuttavia costruite le mura Aureliane volute dall'imperatore Aureliano a partire dal 272 d.C.: dopo secoli si teme nuovamente per la sicurezza della città. Le mura saranno successivamente rialzate e rafforzate più volte fino a raggiungere l'attuale e monumentale aspetto.
Con la Tetrarchia si ebbe una ripresa dell'attività edilizia, con la costruzione delle terme di Diocleziano, della basilica e della grande villa di Massenzio sulla via Appia. La sconfitta di Massenzio ad opera di Costantino fu celebrata con la costruzione dell'arco di Costantino.
I primi edifici di culto cristiani della città furono soprattutto luoghi di riunione e centri comunitari organizzati in case private (domus ecclesiae e tituli), che prendevano il nome dal primitivo proprietario, in seguito spesso identificato con il santo titolare. Altri luoghi di culto e centri di sepoltura si trovavano fuori dalle mura, ugualmente presso terreni privati, senza che si distinguessero esteriormente da quelli pagani.
A partire da Costantino si cominciarono ad erigere le prime grandi chiese cristiane: le basiliche di San Giovanni in Laterano, Santa Croce in Gerusalemme e le basiliche cimiteriali sorte presso le tombe dei martiri, spesso collegate ai mausolei della famiglia imperiale e con prevalente funzione cimiteriale (San Sebastiano sulla via Appia, San Lorenzo sulla via Tiburtina, Basilica dei Santi Marcellino e Pietro sulla via Labicana, Sant'Agnese sulla via Nomentana e la stessa Basilica di San Pietro in Vaticano). Le chiese sorsero tuttavia in aree periferiche, in terreni di proprietà imperiale, pur riprendendo la forma dei grandi complessi pubblici (principalmente basiliche e sale termali).
Fino alla fine del V secolo si continuarono inoltre a restaurare nella città gli edifici pubblici e i templi pagani, ad opera della potente aristocrazia senatoriale, rimasta in gran parte legata alle tradizioni pagane.
Negli anni successivi, si ebbero la costruzione di San Paolo fuori le mura (iniziata nel 384 per intervento diretto degli imperatori cristiani Valentiniano II, Teodosio I e Arcadio) e di Santa Maria Maggiore (iniziata intorno al 420).
Le trasformazioni in chiese di alcuni degli antichi tituli e le nuove costruzioni venivano finanziate da papi e presbiteri o da ricchi privati cristiani, inglobando spesso le case più antiche, e con la scelta di luoghi più vicini al centro cittadino. Il papa esercitava forse sin dall'inizio una qualche forma di controllo e solo a partire dalla metà del V secolo l'erezione di nuove chiese divenne una sua prerogativa. Sorsero così le chiese dei Santi Giovanni e Paolo, di San Vitale, di San Marco, di San Lorenzo in Damaso, di Sant'Anastasia, di Santa Sabina, di San Pietro in Vincoli, di San Clemente, di Santo Stefano Rotondo.
La posizione decentrata della cattedrale di San Giovanni in Laterano, che si andava accentuando in seguito all'inizio dello spopolamento della città, fece sì che numerose altre chiese cittadine fossero dotate di battisteri, che si aggiungevano al costantiniano Battistero Lateranense.
La caduta dell'Impero Romano d'Occidente nel 476 non cambiò molto le cose per Roma. Gli Eruli di Odoacre e quindi gli Ostrogoti di Teodorico continuarono, come gli imperatori che li avevano preceduti, a governare l'Italia da Ravenna. L'amministrazione della città era affidata al Senato, da lungo tempo privato dei suoi originari poteri, e sempre maggiore importanza acquistava il Papa, che in genere veniva da una famiglia senatoria. Durante il regno di Teodorico venivano ancora restaurati gli edifici pubblici cittadini a cura dello stato.