Les romains apparaissent dans la région à partir du II° siècle avant JC.
En -125 , les marseillais, aux prises avec les salyens, font appel à leurs alliés romains. Ces derniers détruisent l'oppidum d'Entremont, capitale des salyens, (au sud de laquelle ils fonderont la ville d'Aix) et s'emparent des cités proches, en 121 av. J.-C., les cavares d'Aouen(n)nion se rendent pratiquement sans résistance, l'oppidum devient gallo-romaine et s'appelle désormais Avenio.
Les romains s'implantent dans la région et créent en -118 av. J.-C. la Province transalpine, ou "Narbonnaise", qui s'étend des Alpes aux Pyrénées et dont la capitale est Narbonne.
Lors du conflit entre Pompée et César, Marseille soutient activement le premier. César, vainqueur, soumet la ville avec ses armées et la punit en lui supprimant sa prééminence régionale. En -49, Avignon, comme Orange, Apt, ou Carpentras, devient une cité latine.

Si Avignon n'a pas aujourd'hui le prestige de Arles, Nîmes ou Orange pour son passé gallo-romain, c'est qu'il reste très peu de monuments visibles de cette époque. Pourtant le sous-sol regorge de vestiges. Le forum, centre de la cité, se trouvait à l'emplacement actuel de la place de l'Horloge. A sa plus grande extension, au I° et II° siècle, l'agglomération s'étend sur 46 hectares et compte environ 25 000 habitants. Avignon est fortifiée, et comme toutes les villes romaines, elle est dotée de nombreux monuments : temple, curie, arc de triomphe. Même si Avignon n'a pas le rayonnement de Arles ou Nîmes, c'est un centre religieux, administratif et commercial important. La proximité de la Via Agrippa, une des grandes voies romaines, lui assure déjà une certaine renommée.

Lieu de passage obligé entre le nord et le sud de l'Europe, la région d'Avignon subit de plein fouet les invasions des peuples barbares.

La première vague déferle dès la fin du III° siècle, avec les Francs et les Alamans. Elle impressionne et laisse un effrayant souvenir aux méridionaux. La deuxième vague, au début du V° siècle, submerge et disloque définitivement un Empire Romain d'Occident en pleine décomposition. Les Vandales dévastent le pays, suivis des Goths, puis des Burgondes qui s'établissent dans la région. En 474, Avignon est la position fortifiée la plus au sud de ce royaume dont elle fait maintenant partie.

En ces temps troublés, les habitants décimés par les guerres et les pillages fuient les villes. Avignon, comme Nîmes, est réduite au septième de son ancienne superficie. On fortifie ce qu'il reste de la cité romaine en construisant rapidement une enceinte plus courte et plus facilement défendable autour du Rocher sur lequel la population s'est réfugiée.

En 500, le roi des Burgondes, Gondebaud, poursuivi par le roi franc Clovis, se réfugie à Avignon. Ce dernier ne parvient pas à prendre la cité puissamment fortifiée. La ville passe sous le contrôle des Wisigoths vers 506, puis des Ostrogoths deux ans plus tard. En 537, le roi Vitigès cède Avignon avec la Provence aux rois Francs. La ville est rattachée en 561 au royaume franc de Bourgogne, et ce jusqu'à la deuxième moitié du VIII° siècle.