В дальнейшем теснимая «варварами» Ольвия была вынуждена в первые годы царствования Септимия Севера официально признать над собой верховную власть Рима и была включена в состав провинции Нижней Мезии. Ольвия сохранила право чеканки монеты, но под контролем римского должностного лица.

Римская оккупация временно обезопасила Ольвию от «варварских» вторжений и тем самым задержала окончательное разорение города. В III в. Ольвия была разорена готами, но историческая жизнь её закончилась, очевидно, не раньше V в. Когда и при каких обстоятельствах это произошло, до сих пор неизвестно.

В эпоху римского владычества Ольвия переживает даже некоторый подъём. Меняется внешний облик Ольвии. Судя по многочисленным надписям и археологическим остаткам, город отстраивается новыми жилыми и общественными зданиями. Надписи упоминают о сооружении нового портика, бани, о перестройке и ремонте театра и храма Аполлона.

Укреплённый город в римскую эпоху, однако, занимал только южную часть верхнего города. Центром римской Ольвии стала цитадель, построенная в углу, образованном Бугом, Заячьей и Поперечной балками. Со стороны Заячьей балки цитадель защищала мощная оборонительная стена, укреплённая сторожевой башней.

Местами фундаментом для римской стены послужили остатки стены эллинистической эпохи. Башня, выдвинутая несколько вперёд по сравнению с линией стены, состояла из трёх помещений, в которых, очевидно, размещался караул. Стены её сложены из грубо отёсанных известковых плит разной величины и формы. В северной части цитадели также открыты остатки городской стены, сложенной из колоссальной величины плит местного известняка.

С внутренней стороны к стене примыкало двухэтажное помещение, в котором, очевидно, жили солдаты гарнизона. В этой же части цитадели с севера на юг проходила главная уличная артерия. Широкая, мощённая камнями улица вела за пределы цитадели, а разрыв в крепостной стене позволяет предположить, что именно здесь находились главные ворота цитадели.

Оживлённое строительство наблюдается в римское время и на территории нижнего города. Остатки оборонительных сооружений здесь не обнаружены. Строительство идёт главным образом по линии жилищных и хозяйственных комплексов.

Торговля, игравшая всегда такую большую роль в жизни Ольвии, в римское время значительно сократилась в своём объёме. Это ясно видно по находкам керамики. Во II и III вв. н. э. процент импортной керамики значительно снижается, зато в Ольвии развивается производство керамики скифских образцов.

Углубляется процесс имущественной дифференциации. Об этом говорят и ольвийские надписи и археологический материал. Не случайно именно к этому времени относятся два роскошных погребения с насыпанными над ними высокими курганами. Один из этих склепов был найден под насыпью, получившей наименование «Зевсов курган». Склеп состоит из двух помещений: нижняя часть кургана обнесена подпорной каменной стеной (крепидой) из рустированных камней с прекрасной облицовочной кладкой. Очевидно, родовитые граждане Ольвии уже не удовлетворялись скромными погребениями предшествующей эпохи.

В надписях этого времени ощущается тот же момент классовой дифференциации. Воздавая хвалу знатным жителям города, надпись всегда упоминает о их высоком происхождении, о знатности их предков, а также о том, что они были известны «римским императорам».

Из торгового цветущего полиса Ольвия постепенно превращается в военный центр — римский форпост. В этих условиях неизбежно должна была повыситься роль городской аристократии. Экономической её базой теперь являлось земледелие. Торговцы почти не упоминались в надписях этого времени.