Das dritte Jahrhundert war die Zeit der Soldatenkaiser. Immer schneller folgten die Usurpatoren aufeinander und kaum einer von ihnen starb eines natürlichen Todes. Schließlich wurde auch Trier von diesen Wirren erfasst: Als sich ab 269 ein kurzlebiges gallisches Sonderreich etablierte, wählten dessen Herrscher die Stadt zeitweise als ihre Residenz. Die germanischen Stämme der Franken und Alamannen nutzten die instabilen Verhältnisse 275/76 zu Raubzügen, die auch in Trier Zerstörungen hinterließen.
Doch der Status als Hauptstadt des gallischen Sonderreichs führte zu einem dauerhaften Prestigezuwachs: Treveris - so der spätantike Name der Stadt - war jetzt Amtssitz des Provinzstatthalters, Truppenstandort und Münzstätte. Auf diese Strukturen griff Kaiser Konstantin der Große zurück, der von 306 bis 316 zumeist in Trier residierte und von hier aus seinen Kampf um die Alleinherrschaft im Römischen Reich aufnahm.
Die Stadt mit ihren circa 50.000 Einwohnern avancierte daraufhin zu einer der bedeutendsten Städte der westlichen Reichshälfte. Sie war Sitz der gallischen Prätorianerpräfektur, deren Herrschaftsbereich sich über Britannien und die iberische Halbinsel bis nach Nordafrika erstreckte. Unter Valentinian und seinen Söhnen Gratian und Valentinian II. war Trier zwischen 367 und 390 noch einmal Kaiserresidenz.
Entsprechend ihrer gewachsenen Bedeutung setzte mit Beginn des 4. Jahrhunderts ein neuer Bauboom in der Stadt ein. Das heute als „Basilika“ bekannte Gebäude diente als kaiserlicher Thronsaal und war Teil einer ausgedehnten Palastanlage. Ganz in der Nähe entstanden die „Kaiserthermen“, die zwar als Bad konzipiert waren, jedoch nie fertig gestellt wurden. Später wurde der Komplex möglicherweise als Kaserne genutzt.
Schon früh sind in Trier Christen bezeugt. Die bis heute lückenlose Liste der Trierer Bischöfe reicht bis in die zweite Hälfte des dritten Jahrhunderts zurück. Konstantin und seine Mutter Helena förderten die Gemeinde und ermöglichten den Bau einer monumentalen Doppelkirche, auf die der heutige Dom zurückgeht.
Gegen Ende des 4. Jahrhunderts wurde das weströmische Reich immer öfter von Einfällen germanischer Stämme erschüttert. Trier war aufgrund seiner exponierten Lage in Grenznähe auf Dauer als Residenzstadt nicht zu halten. Das Ende der römischen Herrschaft vollzog sich in Etappen: Der Sitz der gallischen Präfektur wurde um die Jahrhundertwende nach Arles verlegt. Zwischen 410 und 435 wurde Trier viermal von fränkischen Heeren verwüstet, jedoch noch nicht dauerhaft erobert. Erst ab etwa 485 wurde die gesamte Region in das fränkische Reich der Merowinger eingegliedert.