Во второй половине IV века империю раздирали религиозные противоречия, то ариане, то последователи Афанасия брали верх, и у империи существовала опасность быть поглощенной варварскими племенами. Этот период получил название «великого переселения народов» – германских, славянских и других племен. В конце концов империя стала слишком разнородной, чтоб сохранять целостность.
В 378 году римские войска в битве при Адрианополе потерпели поражение от задунайских готов. Армия была разбита, возглавлявший ее император Валент (364–378), памятником которому стал акведук (водопровод) его имени, погиб. На смену ему пришел энергичный приемник, Феодосий I, которому удалось заключить мир с готами. Феодосий раздвинул границы города, хотя первоначальные стены были оставлены и долго составляли линию внутренних укреплений. Дома строили на каждом свободном клочке, а в прибрежной зоне даже на сваях. В V веке число жителей Константинополя могло достигать семисот тысяч. Линия Феодосиевых стен окончательно определила те границы, в которых Константинополь просуществовал в течение многих веков. Общая протяженность крепостных стен, возведенных в три ряда, составляла 16 км, они имели 7 ворот и 96 башен. Между стенами был вырыт крепостной ров глубиной 10 м и шириной 20 м.
Во время правления Феодосия в Константинополь были доставлены многие произведения искусства из Египта. Среди них – великолепный тридцатиметровый шеститонный гранитный обелиск из Гелиополиса, покрытый иероглифическими надписями. Он был водружен в честь победы над готами и скифами в 388 году. Годы правления Феодосия I (379–395) были последним периодом существования единой Римской империи. Находясь при смерти, Феодосий сам разделил империю на две части – Западную, которую получил в управление его сын Гонорий, – и Восточную, правителем которой стал другой сын Феодосия – Аркадий.
С 395 года, после распада Римской империи на две части, Константинополь стал столицей Восточной Римской империи, более известной как Византийская, и потому его жители называли себя ромеями, или римлянами (хотя для славян они были греками, а для арабов – румами).
Последнего императора по иронии судьбы звали Ромул. Его сверг в 476 году командующий германскими наемниками Одоакр. Западная Римская империя прекратила свое существование.