Еще больше усложнилось положение Херсонеса во второй половине III в. н. э., когда возникла угроза нападения варварских племен. В конце III в. н. э. римские войска были выведены из Херсонеса в Подунавье для защиты границ Римской империи от готов и вернулись назад только в начале IV в. н. э. Сельская округа Херсонеса окончательно пришла в упадок в результате готского нашествия (III в. н. э.), прекратило свое существование большинство прибрежных земледельческих поселений Северо-Западного Крыма. То же было и в Юго-Западном Крыму в 70-х годах IV в. н. э. во время гуннского нашествия. Однако сам Херсонес все же уцелел. В IV в. н. э. это все еще достаточно значительный, хорошо укрепленный город с сильным гарнизоном, основную часть которого составляли баллистарии (прислуга баллист — метательных устройств). Укрепления города неоднократно перестраивались и улучшались даже в конце IV в. н. э. Впоследствии в V в. н. э., Херсонес оказался под властью Византийской империи. Усилившееся в связи с этим его стратегическое значение способствовало продолжению строительства укреплений. В частности, большие работы по усовершенствованию оборонительных сооружений проводились в конце V в. н. э., при императоре Зеноне.
Господство римлян сказалось на государственном устройстве Херсонеса. Усилилась аристократизация управления. Рим опирался главным образом на земледельческую и торговую верхушку населения Херсонеса. Ряд знатных семейств получил права римского гражданства. Сократилось количество членов отдельных коллегий, нередко в руках одного лица сосредоточивались различные государственные должности. В частности, первый архонт, который избирался из среды наиболее знатных семейств, принял на себя одновременно функции «царя» и стратега. Хотя все эти должности, как и раньше, формально оставались выборными, однако круг людей, принимавших активное участие в политической жизни, очень сузился; у кормила государственной власти на протяжении ряда лет часто стояли одни и те же люди или даже семьи. Так, во II в. н. э. государственные должности длительное время занимали члены семьи Флавиев, получившие права римского гражданства и римские имена.
Для Херсонеса I–IV вв. н. э. были периодом временной стабилизации, а затем и роста экономики. В сельском хозяйстве ближайшей херсонесской округи — на Гераклейском полуострове — увеличился удельный вес посевов зерновых культур. Хотя северо-западные земледельческие поселения Крыма в этот период уже, очевидно, не принадлежали Херсонесу, однако их продукция занимала существенное место в его торговле. Развивались и имели товарный характер рыболовецкий и соляной промыслы. Херсонес снова стал большим ремесленным центром. Здесь процветали железоделательное производство, древо- и металлообработка, гончарство, резьба по кости.
Все это создало прочную основу для развития торговых отношений как с античными городами, так и с местными племенами. В конце I в. до н. э. возобновились, а во II в. н. э. значительно расширились связи с южно-причерноморскими городами — Синопой, Гераклеей, Амастрией. В I в. н. э. Херсонес вел активную торговлю также с Пергамом, Эфесом, Амисом, островами Самосом, Косом, Книдом, городами Италии и Паннонии. Из северопричерноморских центров Херсонес в это время вел торговлю с Ольвией и Боспором. Основными статьями импорта были вино, оливковое масло, краснолаковая и стеклянная посуда и т. д. На экспорт шли соленая рыба, рыбный соус, соль, вино и, очевидно, хлеб.
Значительно оживилась также торговля Херсонеса с соседними поселениями Юго-Западного Крыма, куда поступала продукция мастерских не только из Херсонеса, но и при его посредничестве из других античных центров. Торговые связи с поселениями Северо-Западного Крыма были более слабыми. Основным предметом вывоза из этого района в Херсонес был хлеб.
Со второй половины III в. н. э. во внешней торговле Херсонеса происходит некоторый спад, сокращаются торговые операции с малоазийскими центрами, прекращается торговля с Ольвией и, очевидно, с Северо-Западным Крымом. Однако в целом даже и в IV в. н. э. экономика Херсонеса и поселений Юго-Западного Крыма еще не пришли к полному упадку. Это произошло только в конце IV в. н. э. в результате гуннского нашествия.
Ольвия
. Общий кризис античных городов-государств в I в. до н. э. в Северном Причерноморье больше всего отразился на Ольвии. Так, после гетского нашествия территория города сократилась почти в три раза. Хоть в первые века нашей эры здесь в целом происходило определенное оживление ремесленного производства, сельского хозяйства и торговли, город уже никогда не достигал былого расцвета. Его роль в этот период намного скромнее, чем, например, Херсонеса.