L’agglomération, peut-être assez modeste, de la fin de l’indépendance et de la période immédiatement consécutive à la conquête se transforme rapidement en ville gallo-romaine dynamique. Son nom celtique de Durocorter, qui peut vouloir dire « marché fortifié », est latinisé en Durocortorum. En raison du soutien que les Rèmes ont apporté à César, la ville obtient le statut privilégié de cité fédérée, c’est-à-dire considérée comme alliée et indépendante, et devient chef lieu de civitas (« cité »). C’est probablement Auguste qui, vers la fin du I^er siècle avant notre ère, fait de Reims la capitale de la Gaule belgique et le siège de son gouverneur.  

Au même moment, la ville est remodelée selon une nouvelle trame urbaine, qui s’étend sur la surface considérable de près de 600 hectares. Les rues forment un quadrillage régulier, organisé autour de deux axes principaux (le cardo et le decumanus) qui se croisent au forum. L’agglomération est délimitée, au sud-ouest, par le cours de la Vesle et, pour le reste de son périmètre, par une grande enceinte, avec fossé et levée de terre, probablement contemporaine du nouveau carroyage. Son tracé, repéré dans ses grandes lignes depuis le début du XX^e siècle, correspond à la limite de l’extension de l’agglomération. Rapidement, des maisons, des ateliers d’artisanat et les premiers monuments occupent une grande partie de l’espace affecté à l’urbanisation ; les découvertes récentes indiquent que les constructions s’étendaient jusqu’à moins de 200 mètres du rempart.  

Menées depuis une trentaine d’années sur d’importantes surfaces, les fouilles ont révélé l’existence de différents types de construction : quelques domus (grandes maisons urbaines avec mosaïques, peintures murales, péristyle...), de nombreux habitats plus modestes, ainsi que des ateliers de potiers, de verriers, de tabletiers et de tisserands. Parmi les témoins de la parure monumentale dont la ville s’est alors dotée, les plus connus sont le cryptoportique (galerie semi-enterrée) du forum, l’arc de la porte de Mars (à notre connaissance, le plus grand de tous les arcs de l’Empire), celui de la porte Bazée et les thermes publics, à l’emplacement de la cathédrale actuelle ; enfin, un grand sanctuaire entouré d’une esplanade monumentale a été découvert en 1998 à l’extrémité septentrionale de la ville.

Après les crises qu’a traversé l’Empire au III^e siècle – crise économique, troubles politiques et militaires, difficultés pour contrôler un immense territoire –, Dioclétien restaure le pouvoir central et réorganise les provinces. Il augmente leur nombre en réduisant l’étendue de chacune, mais en développant leurs structures administratives. Reims devient ainsi la capitale de la toute nouvelle Belgique seconde.  

Au IV^e siècle, la ville est appelée Remi, puis Remorum urbs. En grande partie restaurée, elle s’enrichit de nouveaux édifices, en particulier d’un rempart monumental qui enclot une surface d’environ 55 ha. Comme toutes les villes de l’époque, Reims est désormais moins étendue qu’auparavant. Mais la densité de l’habitat, bien plus élevée que naguère, contribue également à donner à l’agglomération une allure qui préfigure déjà la ville médiévale, enfermée dans son enceinte mais certainement pas démunie de faubourgs, dont l’importance est encore difficile à apprécier.  

Dès la fin du III^e siècle et le début IV^e, une communauté chrétienne s’est développée dans la ville, probablement parmi les nombreux agents, civils et militaires, de l’administration impériale. Une première église, située à l’est de la cathédrale actuelle est mentionnée par les textes. Depuis Constantin, en effet, la nouvelle religion bénéficiait des faveurs impériales et s’est rapidement répandue dans les milieux de l’aristocratie romaine. Jovin, général, maître de la milice, est le plus illustre de ces convertis qui ont doté la ville de ses premiers sanctuaires chrétiens. Il fonda l’église Saint-Agricole dans la grande nécropole méridionale qui occupe le futur quartier Saint-Remi.