В мае 330 г., в честь окончательной победы Константина над Лицинием, Константинополю был дарован официальный статус столицы. Этот город и принятие христианства составляют самое важное наследие Константина. В последние годы его правления не происходило ничего особенно примечательного. Пройдя через множество преград и испытаний на пути к единоличному правлению, он, очевидно, не намеревался передавать власть в руки одного наследника. Вместо этого он собирался учредить новую тетрархию кровных родственников: власть должны были поделить трое его сыновей – Константин II, Констант и Констанций II, а также двое его племянников – Далмаций и Аннибалиан, хотя их полномочия были более ограниченными. Постепенно император отходил от военных дел, поэтому все наследники один за другим отправились на поле боя. Империи удалось достигнуть определенных успехов в борьбе с готами на дунайской границе. На востоке персы организовали открытую провокацию: на место армянского короля-христианина был посажен ставленник Сасанидов. Грозила разразиться полномасштабная война, и Константин решил лично отправиться в поход против Персии. Он погиб в самом начале кампании, близ города Никомедии. На смертном одре в мае 337 г. он принял крещение от арианского епископа Евсевия.
Смерть Константина имела кровавые последствия: все его родственники мужского пола, за исключением трех сыновей и двух племянников, Галла и Юлиана, которые в то время еще были детьми, оказались убиты, поэтому в 338 г. трое наследников быстро поделили власть между собой. Вплоть до 353 г. в империи постоянно вспыхивали гражданские войны и предпринимались бесчисленные попытки узурпировать престол. В конце концов из всех наследников в живых остался лишь Констанций II, который и стал единоличным правителем империи, в то время как его двоюродный брат Юлиан занял пост наместника и командующего войсками в Галлии.
Учитывая растущие военные успехи Юлиана, все более неизбежным представлялось открытое столкновение между ним и Констанцием – человеком, которого он, вероятно, считал виновным в убийстве своих ближайших родственников. Когда в 360 г. войска провозгласили его императором, Юлиан пошел войной против двоюродного брата, который, однако, скончался в 361 г. во время военного похода в Персию. Новый император внезапно и впечатляюще сменил курс, объявив о поддержке старой религии, чем заслужил презрение христиан и прозвище Отступник. Симпатия, которую Юлиан питал к язычеству, оказалась народу не по нутру, и, без сомнения, объяснялась глубоко личными мотивами. Однако императору было не занимать прагматизма: он выявил ключевые причины популярности христианства (к примеру, проповедуемое христианами милосердие) и призвал высших языческих лидеров подражать христианским практикам. Кроме того, он предпринял попытку вернуть своей религии те привилегии, которые были дарованы двумя его предшественниками христианам.
После чисток при дворе и в армии Юлиан принялся за организацию военной кампании против Персии и в 362 г. собрал войска в Антиохии и ее окрестностях. Почти год он провел в этом городе и отчасти спровоцировал продовольственный кризис, став объектом ненависти и насмешек среди местных жителей (сатирический ответ императора жителям Антиохии, пасквиль «Мисопогон», или «Ненавистник бороды», стал одним из самых живых и остроумных текстов поздней Античности). Юлиан был убит в бою (копьем святого мученика, как гласит христианская легенда) через месяц после того, как покинул город. Его преемник Иовиан, царствовавший меньше года, поспешно отозвал оставшиеся войска и заключил мир с Персией на совершенно невыгодных для римлян условиях. Он скончался по дороге в Константинополь в 364 г. Как и в случае с Иовианом, нового императора на престол возвели солдаты – им стал Валентиниан I, который тут же назначил своего брата Валента соправителем на востоке, в то время как сам взял под контроль территории к западу от Милана. Последующие годы отличались узурпациями и мятежами, а также попытками укрепить положение на дунайской границе, на которую часто и довольно успешно посягали варвары. Когда в 375 г. Валентиниан I скончался, его сыновья Грациан и Валентиниан II, оба еще несовершеннолетние, были провозглашены императорами.
На следующий год множество готов, которые под давлением гуннов были вынуждены переселиться ближе к западу, добилось разрешения пересечь Дунай и осесть на территории империи. Это массовое переселение было чрезвычайно плохо организовано и привело к открытым вооруженным столкновениям. Валент вместе со своей армией ринулся к границе, чтобы обуздать конфликт, но был наголову разбит в сражении при Адрианополе 9 августа 378 г.: около двух третей его солдат погибли, а сам император убит. Он стал первым римским императором, погибшим в бою со времен Деция, убитого в 251 г. Несколько месяцев спустя, в 379 г., на трон был возведен испанский военачальник Феодосий I, и его статус был признан правившим на западных территориях Грацианом. В 380 г. Феодосий I потерпел поражение от готов, но уже в 383 г. с помощью посредников добился мирного договора, согласно которому значительное число готов со своими правителями переселились на территорию империи и осели вдоль дунайской границы.
В 383 г. Грациан был убит солдатами в разгар восстания, подавленного Феодосием в 388 г. В то же время император провозгласил своего сына Аркадия соправителем в Константинополе, а в 393 г. его младший сын Гонорий был возведен в тот же ранг в западной части империи.