Severovci a vojenští císaři
V roce 193 se chopil moci Septimius Severus – první císař pocházející z Afriky. Tomu se podařilo zvítězit nad Parthy a na počátku 3. století říši dočasně navrátil stabilitu. Již v době jeho vlády ale započal nebezpečný vzrůst moci armády. Jeho syn Caracalla, který se navzdory svému krutému chování k senátu a k vlastním příbuzným těšil mezi lidmi a vojáky jisté popularitě, padl za oběť atentátu během parthského tažení. Následovala krátká vláda Elagabala, jenž se neúspěšně pokusil o zavedení stejnojmenného orientálního božstva jako oficiálního státního náboženství. V roce 222 byl nenáviděný a zhýralý Elagabalus zavražděn a císařem se stal Alexander Severus. Ten se marně snažil osvědčit ve válkách proti Sásánovcům a Germánům a v roce 235 byl nespokojenými vojáky zavražděn.
Aby si císaři při svém nástupu na trůn zajistili loajalitu armády, udělovali vojákům peněžité dary, jejichž výše neustále stoupala. Tak došlo k tomu, že po smrti Commoda bylo císařství regulérně vydražováno. Armáda a především pretoriánská garda se staly hlavním faktorem při destabilizaci vlády. Septimius Severus se této skutečnosti snažil čelit zrušením těchto darů, zároveň ale drastickým způsobem zvýšil pravidelný žold, takže se výdaje na armádu staly nesnesitelnými. Výše žoldu rozhoupala spirálu zvyšování cen a vedla ke znehodnocování mince. Důsledkem byl hospodářský úpadek, který měl ničivý dopad na stabilitu státu.
Současně s tím se ekonomické a mocenské těžiště říše přesunulo z Itálie do provincií, z nichž se nyní rekrutovaly římské elity. Tento trend byl ještě posílen rozhodnutím Septimia Severa zpřístupnit důstojnické hodnosti v armádě všem vojákům bez ohledu na občanství. Itálie pozvolna ztrácela své privilegované postavení, což bylo završeno v roce 212, kdy Caracalla udělil všem svobodným obyvatelům říše římské občanství (Constitutio Antoniniana). Za Severovců se zásadním způsobem proměnila také zahraničněpolitická pozice římské říše: na východě nahradila v roce 224 slabou parthskou říši vláda dynastie Sásánovců. V téže době nastal mezi Rýnem a Dunajem proces konstituování mohutných germánských kmenových svazů, které útočily na římské hranice a pronikaly hluboko na římské území.
Rokem 235 začalo neblahé období vlády vojenských císařů známé jako krize třetího století. Nepřetržitá série občanských válek, uzurpací, vzpour a vraždění císařů oslabila obranu říše a učinila jí tak bezmocnou vůči útokům jejích nepřátel. Během padesáti let mezi zavražděním Alexandra Severa a nástupem Diocletiana se na trůně vystřídalo v rychlém sledu celkem dvacet jedna legitimních císařů a nesčíslné množství nelegitimních uzurpátorů. Vojenští císaři se museli vypořádávat s útoky Germánů na Rýně a Dunaji. Gótové sídlící při severních březích Černého moře podnikali ničivé nájezdy na Balkán a do Řecka a útočili dokonce i na města v Malé Asii. Na západě vydrancovali Alamani v šedesátých letech 3. století Galii a Itálii, avšak nejtěžší boje se odehrály s novoperskou sásánovskou říší na východě. Ta se ukázala jako mnohem vážnější protivník římské říše, než jakým kdy byli Parthové. Perský velkokrál Šápúr I. vpadl několikrát do Sýrie a opakovaně porážel římské armády. V roce 260 padl do jeho rukou císař Valerianus, který poté zemřel v perském zajetí. Zatímco se Římané snažili udržet východní provincie, začala se římská vláda rozkládat i na západě. Správci provincií, kteří veleli mnoha legiím, je čím dál častěji využívali k získání moci. Přitom docházelo k neustálým uzurpacím či k odpadnutím celých provincií (galské císařství). Vnitřní konflikty a vnější ohrožení přivedly říši na pokraj záhuby.
Prohlubování chaosu pokračovalo až do vlády císaře Claudia II., kterému se v roce 269 podařilo zvítězit nad Góty v bitvě u Naissu (dnešní Niš). V roce 272 si císař Aurelianus podrobil Palmýru, někdejšího římského spojence, jehož královna Zenobia využila římské slabosti a dočasně se zmocnila téměř všech východních provincií. Aurelianus porazil také Germány a obnovil římskou kontrolu nad Galií. Krize vedla ke značným společenským změnám, které však nezasáhly všechna území říše stejně. Římanům se tak podařilo odvrátit hrozící zánik říše. Nestabilita a chaos vytvářely příznivé podmínky pro šíření křesťanství, jehož stoupenci hlásali mír a spásu. Na rozdíl od ostatních náboženství a pohanských kultů však křesťané neprojevovali patřičný respekt k instituci císařství. Císař Decius, jenž se pokusil obnovit uctívání starých božstev, žádal, aby jim všichni obyvatelé říše povinně obětovali. Když se tomuto nařízení křesťané vzpírali, nařídil jejich pronásledování. Po Deciovi pronásledovali křesťany také Valerianus a Diocletianus.
Nástup pozdní antiky
Nástup Diocletiana na trůn v roce 284 symbolizoval počátek období pozdní antiky, které bylo charakterizováno postupující centralizací a byrokratizací říše a pozdějším vítězstvím křesťanství nad pohanstvím. Diocletianovi se podařilo celou řadou opatření a reforem odvrátit hrozící zánik říše, dosavadní formu vlády – principát – přitom postavil na zcela nových základech. Císař provedl reformu státní správy, v rámci níž zvýšil počet provincií. V každé z nich byla oddělena civilní a vojenská správa, což mělo jejich správcům zamezit ve vzpouře proti ústřední vládě. Stanovením nejvyšších možných cen se Diocletianus neúspěšně pokusil bojovat s hospodářským poklesem a utlumit inflaci, která v říši řádila už od 3. století. K zajištění hranic říše provedl reformu armády, jež si ale vyžádala zvýšení už tak vysokých daní.
Diocletianus dále vytvořil nový systém vlády zvaný tetrarchie („čtyřvládí“). Za svého kolegu a druhého augusta povolal svého přítele Maximiana. Oba císaři později jmenovali po jednom caesarovi jako svých zástupcích (Constantius I. Chlorus a Galerius). Důvodem této reformy byla jednak snaha zabránit uzurpacím velitelů pohraničních armád a jednak skutečnost, že nebylo v silách jediného člověka efektivně ovládat celý stát. Myšlenka rozdělení vlády nebyla úplnou novinkou, avšak teprve za Diocletiana byla důsledně realizována, přestože jí nelze považovat za ústup od ideje říšské jednoty. Řím zůstával i nadále hlavním městem, přestože všichni císařové přemístili své rezidence blíže k hranicím, kde mohli lépe čelit nepřátelům říše.
Diocletianus se rovněž snažil utužit autoritu státu a osoby císaře, pročež přijal přízvisko Iovius podle boha Jova. Křesťany, kteří mu odmítali vzdávat božské pocty, považoval za neloajální vůči říši, kvůli čemuž neváhal rozpoutat poslední a nejtěžší pronásledování křesťanů. Po vzoru orientálních despotů si Diocletianus vsadil na hlavu diadém a obklopil se ohromným císařským dvorem. Na rozdíl od principátu, kdy se císaři snažili alespoň zdánlivě vládnout ve shodě se senátem, Diocletianus nebral na senát žádné ohledy a počínal si jako neomezený panovník (dominus et deus). V tomto systému vlády vystupovali občané čím dál více jako poddaní císaře, čemuž napomohl také sociální fenomén rozvíjející se již od 1. století – kolonát. Postupný útlum přílivu otroků nutil velkostatkáře k pronajímání svých pozemků pachtýřům, kolónům. Jako pachtovné museli kolóni odvádět statkářům nejprve peníze a později část úrody. Tím se kolóni, třebaže byli římskými občany, stávali závislými na velkostatkářích a ztráceli svoji svobodu. Tento trend se ještě více prohloubil za Diocletianova nástupce Konstantina, kdy byli kolóni připoutáni k půdě.
Systém tetrarchie se zhroutil krátce poté, co Diocletianus v roce 305 odešel do ústraní, jelikož bez jeho autority propukly mezi jednotlivými tetrarchy konflikty. Během následných zmatků a občanských válek byl v roce 306 prohlášen za císaře syn jednoho z Diocletianových caesarů Konstantin Veliký. V roce 312 zvítězili Konstantinovi vojáci s Kristovým monogramem na štítech v bitvě u Milvijského mostu nad císařem Maxentiem a v následujícím roce vydal Konstantin v Mediolanu (dnešní Milán) edikt, jímž uznal křesťanství za rovnocenné náboženství. Přijetím křesťanství, které se formálně stalo pouze tolerovaným, ve skutečnosti však preferovaným náboženstvím, měl stát získat novou jednotící ideologii.
Církev se svoji složitou hierarchií rychle prorostla do římského správního systému a již za Konstantina se stala pilířem říšské moci. V roce 312 dosáhl Konstantin vlády nad západem a v roce 324 se po vítězství nad Liciniem ustavil jediným vládcem celého impéria. Kromě uznání křesťanství bylo jeho vládnutí významné ještě jednou událostí: založením Nového Říma – Konstantinopole. Těžiště říše se tím s definitivní platností přesunulo do její bohatší a stabilnější východní poloviny. Konstantin pokračoval v Diocletianových správních reformách zavedením nových územních celků. Říše byla rozdělena do čtyř prefektur, které se pak dále členily na třináct diecézí, čímž byla zvýšena výkonnost státní správy. Diocletianovy a Konstantinovy reformy přispěly ke stabilizaci říše a poskytly státu nové finanční zdroje, které dovolily zvětšit vojsko a zajistit lepší obranu ohrožených hranic. Enormně vyšroubovaná daňová zátěž ovšem podlomila hospodářství říše a stále více poddaných nutila k úniku od tohoto tíživého břemena. Římskou společnost především v západních provinciích říše zachvátila v této době vlna deurbanizace.
Záhy po smrti Konstantina v roce 337 se mezi jeho třemi syny rozhořel boj o moc. V roce 353 se poslední z nich Constantius II. stal opět jediným vládcem říše. Po něm nastoupil v roce 361 jeho bratranec Julianus zvaný Apostata (Odpadlík), neboť se pokusil o návrat k pohanství. Obnova starých kultů však neměla dlouhého trvání. Julianovou smrtí během tažení v Persii v roce 363 konstantinovská dynastie zanikla. Za Valentiniana I. byla říše ze správních důvodů dočasně (364) a po smrti Theodosia I. trvale rozdělena (395). Valentinianus se podělil o vládu se svým bratrem Valentem. Po vpádu Hunů do východní Evropy v roce 375, čímž započalo stěhování národů, bylo Gótům povoleno překročit Dunaj a usadit se v říši. Ti se ale kvůli nesnesitelným životním podmínkám brzy vzbouřili. Valens se je pokusil zpacifikovat, avšak v roce 378 byl poražen a zabit v bitvě u Adrianopole, jež je po bitvě u Kann považována za druhou nejtěžší porážku Římanů v historii.
Nový císař Theodosius byl nucen uzavřít s Góty smlouvu, která jim umožnila pobývat na římském území jako foederati. Přítomnost barbarů na římském území se od tohoto okamžiku stala trvalým jevem. V roce 394 se Theodosius po zdolání poslední z mnoha uzurpací a vzpour, k nimž došlo na západě, stal posledním císařem, který vládl nad celým územím impéria. Během jeho panování bylo křesťanství oficiálně ustanoveno za jediné státní náboženství. Po Theodosiově smrti v roce 395 byla římská říše rozdělena mezi jeho dva neschopné syny: Honorius vládl na Západě, zatímco Arcadiovi byl svěřen Východ. Třebaže toto rozdělení se postupem času ukázalo jako definitivní, myšlenka říšské jednoty přesto trvala i nadále – zákony vydané jedním z císařů byly proto běžně uznávány i druhým vládcem.