Dopo l'invasione gallica (390 a.C.), fu costruita una grande cinta muraria, di cui rimane oggi un tratto ben conservato e visibile nelle vicinanze della Stazione Termini, noto con l'erroneo nome di Mura serviane (le autentiche Mura serviane dell'epoca di Servio Tullio sono andate distrutte). La città, saccheggiata dagli invasori, venne velocemente ricostruita, ed è a questa rapidità nella ricostruzione che gli storici romani attribuirono l'aspetto disordinato della pianta cittadina. In effetti ciò va ricondotto alla rapida e continua crescita del nucleo urbano, che non seguì alcun piano preordinato, con gli edifici e le vie che si adattavano all'orografia del territorio.
All'età repubblicana risale la fondazione di diversi edifici pubblici e templi, soprattutto nell'area del Foro Romano, dei quali sono rimaste conservate le versioni architettoniche successive. Sempre in quegli anni si tracciano le prime strade consolari e i rispettivi ponti sul Tevere, e i primi acquedotti.
Solo a partire dal II secolo a.C. si andarono sviluppando le prime trasformazioni monumentali inserite in piani urbanistici coerenti, ad esempio il complesso di templi repubblicani dell'area sacra di Largo Argentina, costruiti separatamente e unificati dall'inserimento in un grande portico.
Nascono contemporaneamente i modelli architettonici della basilica civile e dell'arco onorario. Per la prima volta viene applicata la tecnica edilizia del cementizio, che consentirà all'architettura romana di avere un suo originale sviluppo, e inizia l'importazione del marmo come ornamento degli edifici. Il primo tempio interamente in marmo, fortemente influenzato dalle forme greche, è il tempio rotondo del Foro Boario.
I personaggi che conquistano grande prestigio personale e si contendono il potere iniziano a sviluppare progetti urbanistici di respiro sempre più ampio, a partire dai grandi portici della zona del Circo Flaminio, al Tabularium di Silla, che tuttora fa da sfondo al Foro Romano verso il Campidoglio, insieme al restauro del tempio capitolino. Pompeo lascia la sua testimonianza nella città con la costruzione di un grande teatro in muratura. Giulio Cesare crea una nuova piazza a suo nome, il Foro di Cesare, e contemporaneamente si dedica al restauro della Curia, sede del Senato.