Валериан всеми силами пытался стабилизировать положение. В 254 г. он поручил сыну защиту рейнско-дунайской границы, а сам отбыл на Восток, где с 257 г. безуспешно боролся с персами, которые перешли Евфрат и вторглись в Сирию. По примеру Деция Валериан подверг гонениям христиан (257 г.). В 260 г. он потерпел поражение от персов и попал в плен, где и умер. В христианской традиции плачевный конец Валериана расценивался как Божья кара за преследование им христиан.
В это время резко активизировался местный сепаратизм: регионы империи во главе с самозваными императорами перестали подчиняться центру. В Галлии, Испании и Британии захватил власть Кассиан Постум (258–268 гг.), создавший Галльскую империю, на Востоке – Септимий Оденат (261–267 гг.), основавший могущественное Пальмирское царство; в дунайских провинциях, на Балканах и в Египте объявились местные узурпаторы: Ингенуй, Регалиан, Макриан, Авреол, Домициан, Валент, Эмилиан и другие. В довершение всех бед на агонизирующую империю обрушились стихийные бедствия и чума.
В сложившейся критической ситуации Галлиен, под властью которого оставалась одна Италия, забросил государственные дела и очертя голову кинулся в омут удовольствий. Он спал на ложе из розовых лепестков, возводил укрепления из фруктов, посыпал волосы золотым порошком, появлялся на публике в пурпурной хламиде с золотыми застежками. Императора без империи окружали бражники, наложницы и шуты. Этот экстравагантный «пир во время чумы» прекратился летом 268 г., когда в результате заговора Галлиен был убит. Императором стал 49-летний иллириец Марк Аврелий Клавдий, вошедший в историю под именем Клавдия II Готского (268–270 гг.). Достойный человек, деятельный администратор и способный полководец, Клавдий положил начало возрождению империи. В 269 г. он разгромил алеманнов близ Гардского озера и готов при городе Наиссе в Мезии, после чего реорганизовал дунайские провинции, в принудительном порядке заселив побежденными готами безлюдные римские территории. Вскоре, однако, Клавдий Готский умер от чумы в городе Сирмии, его брат Квинтилл продержался у власти всего 17 дней, и войска провозгласили императором еще одного иллирийца – 55-летнего начальника конницы Луция Домиция Аврелиана (270–275 гг.).
Дальновидный и энергичный политик, Аврелиан пользовался репутацией хорошего полководца. В 271 г. он отразил нашествие германских племен, вторгшихся в Северную Италию, и приказал построить вокруг Рима мощную систему укреплений (т. н. «Аврелианова стена» длиной 18,8 км). В том же году император эвакуировал провинцию Дакия, чтобы стабилизировать дунайскую границу империи. Затем он занялся решением «восточного вопроса». В Пальмире после убийства Одената правила его властная и энергичная вдова Зенобия. Ее войска контролировали Сирию, Палестину, Малую Азию и Египет. Выступив в поход с огромной армией, император в скором времени разгромил войска Зенобии в битве у города Эмессы, захватил столицу царства Пальмиру и восстановил римскую администрацию в восточных провинциях (272–273 гг.). В 274 г. Аврелиан сравнительно легко подчинил Галльскую империю, узурпатор Тетрик капитулировал (ему, как и царице Зенобии, сохранили жизнь). Так император восстановил единство своей державы. В целях стабилизации положения в государстве он провел денежную реформу (в результате качество монет несколько улучшилось) и ввел культ Непобедимого Солнца как своего божественного покровителя (274 г.).
Власть Аврелиана носила абсолютный характер. Он именовался «господином и богом», носил диадему и титул «восстановителя державы» (Restitutor orbis). Однако в 275 г. деспотичный и суровый император был убит в результате заговора во время похода против персов. После смерти Аврелиана, как и Клавдия Готского, обожествили.
После кратковременного правления сенатского императора Тацита (275–276 гг.) и его брата Флориана (276 г.) власть досталась очередному уроженцу Иллирии – 44-летнему опытному полководцу Марку Аврелию Пробу (276–282 гг.). В 277–278 гг. он нанес ряд поражений алеманнам, а его легаты – франкам. Император тысячами зачислял германцев в римскую армию или селил их в качестве колонов на опустошенных войной приграничных территориях. В конце 278 г. Проб отправился на Восток. Он навел порядок в Иллирии, Фракии и Малой Азии, одержал победу над персами и заключил с ними мир. В 281 г. Проб справил в Риме пышный триумф и устроил великолепные зрелища. Чтобы укрепить дисциплину в войсках, император широко задействовал легионеров на посадке виноградников и строительстве ирригационных сооружений в Галлии, Паннонии и Мезии. В сентябре 282 г. в Сирмии (Нижняя Паннония) солдаты взбунтовались и убили Проба.