La Firenze romana ("Florentia", città-fiore), fondata verso il 59 a.C., ha i suoi momenti di maggior prosperità commerciale e agricola sotto l'impero di Adriano (117-138 d.C.), che vi costruisce un anfiteatro da 20.000 posti (124-130 d.C.), e poi intorno al 285 d.C. quando diviene sede di un "corrector" che governa un'area estesa fino all'Umbria e al Lazio settentrionale.
Già nella prima di queste due fasi la predicazione del Vangelo si diffonde fra le popolazioni rurali che vivono intorno a Firenze: la nuova religione arriva dal sud, da Roma, ed è infatti in Oltrarno, fuori dalle mura, che si stabilisce una colonia di mercanti di origine siriaca convertiti. Ed è qui, alla confluenza della via Cassia con l'Arno, che vive la primitiva comunità cristiana, intorno alla chiesa di Santa Felicita: quello della martire palestinese Felicitas e del diacono Lorenzo sono i primi culti cristiani conosciuti.

Passerà però più di un secolo prima di incontrare il primo martire della città, San Miniato, dal nome chiaramente orientale. Miniato (o Minias), forse un principe armeno, fu decapitato durante le persecuzioni dell'imperatore Decio (249-251 d.C.) e si racconta che dopo il martirio prendesse sotto il braccio la sua testa recisa e si arrampicasse sulla collina dove voleva essere sepolto. Sulla sua tomba sarebbe poi nata la basilica di San Miniato.

Altra data importante per la storia della cristianizzazione di Firenze è il 313 d.C., anno dell'Editto con cui Costantino liberalizzava il culto di Cristo in tutto l'Impero. I documenti rivelano che in quell'anno la città è già sede vescovile, retta dal vescovo Felice. Nel 393 si colloca poi la visita di Sant'Ambrogio, arcivescovo di Milano, che consacra la chiesa di San Lorenzo (la prima cattedrale) e indica in San Zanobi il nuovo vescovo fiorentino. Anche il nome Zanobi, di origine greca, ci rivela che la cristianizzazione dell'ex colonia romana avviene per tramite dei mercanti arrivati dall'Oriente.

Su impulso di San Zanobi, morto nel 429, sarebbe sorta anche la nuova cattedrale, intitolata a Santa Maria Reparata, vergine e martire palestinese (un'altra mediorientale) uccisa come Miniato durante la persecuzione di Decio, nel III secolo. La Santa sarebbe apparsa l'8 ottobre 405, ricorrenza del suo martirio, sulle colline dietro Fiesole dove il generale imperiale Stilicone stava sconfiggendo gli invasori pagani goti guidati da Radagaiso. Da qui l'idea di dedicarle la sede vescovile della città.

Alle notizie sulla Firenze tardo-antica seguono tre secoli di silenzio in cui sappiamo soltanto che la città, ridotta a 5.000 abitanti, viene conquistata e governata in successione da goti, bizantini (VI secolo), longobardi e franchi. Ai bizantini spetta la costruzione della seconda cerchia muraria, addirittura più piccola di quella romana. I longobardi fonderanno diverse chiese intitolate ai loro santi preferiti, come l'arcangelo Michele (l'attuale) Orsanmichele è l'evoluzione trecentesca di un oratorio longobardo e San Giovanni Battista, loro santo protettore e patrono di Firenze fin dai tempi di Teodolinda. I franchi, dopo aver debellato nel 774 i longobardi, importeranno invece il culto di San Remigio e gli dedicheranno una chiesa tutt'ora visibile nell'omonima piazza. All'intervento di Carlo Magno, forse ospite di Firenze nel 781 e nel 786, si deve, secondo la leggenda, anche la fondazione della chiesa dei SS.Apostoli.

La città si risolleva solo nel IX secolo: nell'825, sotto l'imperatore Lotario I, Firenze risulta una delle otto città d'Italia con scuole ecclesiastiche per la formazione del clero. Nell'854 il territorio di Firenze è unito a quello di Fiesole: è l'unico "comitatus" della penisola ad avere due vescovadi. Seguiranno incursioni degli ungari e razzìe di saraceni e normanni giunti dal mare risalendo l'Arno. Per difesa si costruisce la terza cerchia di mura, detta "carolingia". La pace torna con la dinastia imperiale germanica di Ottone e il governo di Ugo, "gran barone" di Toscana, e di sua madre Willa, fondatrice nel 978 della Badia Fiorentina (dove Ugo sarà sepolto nel 1001). Negli stessi anni vive San Romualdo, creatore del monastero di Camaldoli. "Fiorenza", amatissima da Ugo, prende il posto di Lucca come fulcro del marchesato ma la sua importanza crescerà ancora sotto il governo dei Canossa: Bonifacio, la moglie Beatrice, la figlia Matilde (morta nel 1115).

Con i battaglieri Canossa la città diventa centro della riforma religiosa predicata dal monaco Ildebrando di Soana (poi papa Gregorio VII) e viene cantata come "novella Betlemme" da San Pier Damiani. La sua importanza è dimostrata da alcuni fatti: nel 1055 ospita un Concilio per la riforma della Chiesa, nel 1057 vi viene consacrato papa Stefano IX (poi sepolto in Santa Reparata), nel 1059 è il vescovo di Firenze Gherardo a divenire Papa col nome di Niccolò II. È qui infine che comincia la predicazione di San Giovanni Gualberto, fondatore dei vallombrosani e feroce accusatore dei costumi corrotti del clero fino alla sua morte, avvenuta il 2 luglio del 1073.

Sarà in questa fase di rinascita che nel 1075 Matilde di Canossa, dopo aver costruito la quarta cerchia di mura (quella citata da Dante come "cerchia antica"), riconoscerà alla città la dignità di Libero Comune dando il via alla storia della Repubblica fiorentina.