Avec la création de l’oppidum gaulois se met en place une première trame urbaine, déjà bien organisée. L’extension de l’habitat sur une large surface du méandre ne se fait pas de manière anarchique, mais à travers des alignements et des orientations privilégiés, pérennisés par la suite dans la trame urbaine gallo-romaine, comme l’ont montré les fouilles du parking de la Mairie et du Palais de Justice.

Plusieurs orientations de rues existent à Vesontio, isolant des ilôts urbanisés. La trame romaine succède à la trame gauloise, reprenant les orientations sans pour autant les figer en une stricte orthogonalité. En effet, le plan antique s’adapte à la topographie des lieux (tracé de la rivière en particulier) et à l’existence de voies antérieures qui continuent d’être utilisées après réfection.  

Le cardo, axe central rectiligne traversant la boucle sous la Grande Rue actuelle, relie la citadelle, au sud-est, au quartier Battant, au nord-ouest, par l’intermédiaire d’un pont ; chacune de ses extrémités s’ouvre sur une sortie : au sud en direction de Pontarlier sur la route des Alpes, au nord vers Langres et Luxeuil. Il est doublé par un cardo secondaire (actuelle rue des Granges), qui délimite l’espace public. Le decumanus, qui leur est perpendiculaire, se situe sous les actuelles rues Bersot et de la Préfecture.  

Cette orientation directrice n’est pas systématiquement respectée ailleurs. Par exemple dans le quartier artisanal, trois rues obliques, d’orientations différentes, aboutissent à la voie curviligne qui longe la rivière et le murus gallicus ; elles dessinent un éventail qui répond au virage amorcé par le Doubs dans ce secteur. Un tracé inédit a pu être mis en évidence en 2006 dans un sondage réalisé à la ZAC Pasteur : ce quartier situé à proximité du pont est doté d’une voie perpendiculaire au cardo et parallèle au Doubs. De l’autre côté du pont, deux autres rues du quartier Battant se dirigent vers des sorties de ville : à l’est en direction de Mandeure, à l’ouest vers Lyon ou Châlon-sur-Saône.

Durant le haut Moyen Âge, le vaste espace du méandre semble largement voué aux activités agricoles tandis que la cité épiscopale est limitée aux pentes de la colline. Le cardo, qui la relie au pont, est néanmoins toujours actif et les églises fondées durant cette période se répartissent le long de son axe.  

Alors que la seule voie débouchant de la ville au sud-est vers le massif jurassien, gravissait l’anticlinal rocheux, deux nouvelles routes sont crées au cours du Moyen Âge : elles longent le relief, l’une par le nord et l’autre par le sud, et évitent la cité close, qui n’abrite plus que le quartier capitulaire. Le quadrillage des rues ne semble se densifier qu’à partir des XII^e et XIII^e siècles. L’axe du cardo acquiert la sinuosité que présente encore l’actuelle Grande Rue au cours du bas Moyen Âge, par les empiètements successifs de constructions privées, comme le montre l’agrandissement d’une cave vers la rue au XIV^e siècle (site du 4, rue de la Convention), près de l’arc de triomphe antique dit Porte Noire.