Rimska vladavina ostavila je dubok trag na području današnjeg Zagreba, pružajući temelje za budući razvoj grada. U 3. stoljeću prije Krista, Rimljani su prodrli na ovo područje, ratovali s ilirsko-keltskim plemenima i naposljetku zauzeli teritorij do rijeke Drave. Današnji Zagreb tada nije imao značajnije naselje, ali je bio strateški važan zbog dvije velike rimske naseobine u blizini – Donji Stenjevec i Andautonija (današnje Ščitarjevo).
Andautonija, smještena 20-ak kilometara jugoistočno od Zagreba, bila je rimski municipij i glavno središte provincije Gornje Panonije (Panonije Savije), čiji je glavni grad bio Siscia (Sisak). Ovo naselje bilo je važno trgovačko, administrativno i vojno središte. Rimljani su ovdje gradili ceste, mostove, vodovode i terme, a pronađeni su temelji zgrada, oruđe, nakit, posuđe te freske s biljnim ornamentima.
U samom Stenjevcu, nekoliko kilometara zapadno od Zagreba, pronađeni su ostaci rimskih groblja sa zemljanim i staklenim posudama te raznim ukrasima, što ukazuje na prisutnost značajne rimske zajednice. Središtem današnjeg Zagreba prolazila je rimska cesta koja je spajala Ptuj i Sisciju, prolazeći kroz dobro poznate lokacije kao što su Trg bana Josipa Jelačića, Zrinjevac i Banjavčićeva ulica.
Rimski utjecaj vidljiv je i kroz brojne arheološke nalaze pronađene diljem Zagreba. Primjerice, novac cara Hadrijana pronađen je u Ulici Sv. Duha, Mletačkoj i Matoševoj ulici na Gornjem gradu, dok su bronce Germanika, Tita Vespazijana, Proba i Krispa pronađene u Tkalčićevoj ulici. Na Trgu bana Josipa Jelačića pronađena je bronca cara Dioklecijana, a na Zrinjevcu velika bronca cara Hadrijana.
Osim toga, pronađeni su i rimski bunari, poput onog u Matoševoj ulici, koji svjedoče o sofisticiranom sustavu vodoopskrbe. Jedan od najzanimljivijih nalaza iz rimskog perioda je mramorni kip Ikara iz prve polovice 3. stoljeća, iskopan 1892. godine na području Vugrovca.
Nakon propasti Zapadnog Rimskog Carstva, područje Zagreba prolazi kroz burno razdoblje seobe naroda. No, ostaci rimskih naseobina i infrastrukture postavili su temelje za daljnji razvoj naselja, što će kasnije dovesti do formiranja srednjovjekovnog Zagreba i njegove uloge kao važnog središta u regiji.