Sconfotti i Galli, nel 189 a.C. il Senato della Repubblica Romana votò l'istituzione della Colonia Romana di Bononia.
Il nome latinizzato proveniva probabilmente dalla denominazione stessa della tribù dei Boi, o dalla parola celta "bona" (città, luogo fortificato).Alla fondazione di questa e altre colonie seguì la costruzione di una fitta rete stradale, tra cui la via Emilia, nata nel 187 a.C., voluta dal console Marco Emilio Lepido, e Bononia divenne uno dei fulcri della rete viaria romana.Il centro fu ampliato nell'88 a.C.. Dopo le guerre sociali, Bononia cambiò il suo il suo stato giuridico: da colonia divenne municipio e i suoi cittadini acquistarono la cittadinanza romana.
Il I secolo a.C. fu segnato da guerre civili e una crisi politica, che segnarono la fine della repubblica e diedero avvio, con la morte di Cesare, ad una serie di fatti di guerra, alcuni dei quali si svolsero nella città di Bononia.
Nel 43 a.C., in un'isoletta del fiume Reno, nacque il secondo triumvirato formato da Antonio, Lepido e Ottaviano. Bononia accolse un buon numero di veterani, a cui furono affidati terreni in seguito alle guerre sociali.
L'opera impegnò più di 6000 uomini e 12 anni di lavoro.
Sempre in quel periodo si rinnovarono alcuni edifici pubblici con largo uso di marmi, e in quelli privati si diffuse l'uso del mosaico.
Entrarono in funzione, inoltre, terme, un teatro, un'arena e nacquero le prime fabbriche di tessuti.
Bononia era costruita prevalentemente in mattoni, selenite e legno, e proprio per questo fu gravemente danneggiata da un incendio scoppiato nel 53 d.C.. Fu subito ricostruita grazie all'intervento di Nerone, che fece anche ampliare e abbellire il teatro.
Nel 235, dopo la morte di Alessandro Severo, iniziò un declino irreversibile a causa di una crisi economico-politica. E' in questo periodo che vengono registrate le prime persecuzioni ai cristiani, con quella di Diocleziano nel 304. Nonostante questo, nel 313, venne eletto il primo vescovo, San Zama.
Dal III secolo, i barbari dilagarono in tutte le città abitate, attraverso la via Emilia, che furono terreno di conquista. I bolognesi decisero di chiudersi all'intreno di una cerchia di mura, che però non circondava tutta l'area urbana, ma escludeva i quartieri più poveri a nord e a ovest. Il vescovo di Milano, Ambrogio, fece porre 4 croci a 4 delle 6 porte della città:
- Porta Ravegnana (verso levante)
- Porta San Procolo (verso mezzogiorno)
- Porta Stiera (verso ponente)
- Porta San Cassiano poi di San Pietro (verso settentrione)
Nel 430 la Chiesa di Bononia, che fino ad allora era sotto la giurisdizione di Milano, passo sotto quella di Ravenna, nello stesso anno venne nominato vescovo Petronio, nominato direttamente da papa Celestino I. Petronio ottenne l'editto di estendere la giurisdizione di Bologna dal fiume Panaro al Senio e il decreto che garantiva alla città il privilegio di studiare il diritto romano.Petronio morì nel 451.Di li a poco, scesero dal nord gli Unni di Attila e successivamente Odoacre, capo degli Eruli, diretto a Ravenna per deporre l'ultimo degli imperatori, Romolo Augusto.Il 5 settembre 476 (data convenzionale) crollò l'Impero Romani d'Occidente.