Вскоре начались повсеместные гонения на христиан. Так, в 106 г. по приказу императора Траяна был приговорен к смертной казни св. Игнатий Богоносец. В Риме 20 декабря 107 г., в день языческого праздника, св. Игнатий Богоносец был отдан на растерзание львам. Точная дата его мученичества известна благодаря Мученическим Актам (протоколам допроса и приговору) св. Игнатия, датированным IV–V в.в.
В 311 г. язычники Антиохии потребовали от императора Максимина отменить изданный ранее императором Галерием эдикт о религиозной терпимости в отношении христиан. Их просьба была удовлетворена, и прокуратор Феоткен, отступивший от веры, начал жестокие преследования христиан. После этого многие христиане подверглись мучениям, а остальные были изгнаны из Антиохии и многих других городов Востока (Евсевий. Церк. Ист. IX 11. 2–8).
В 324 г. император Константин Великий, открыто покровительствовавший христианству, разгромил правившего на Востоке императора Лициния, объединив под своей властью всю империю. С этого времени гонения на христиан прекращаются. К этому же времени относится и начало распространения ереси арианства.
Несмотря на целый ряд замечательных личностей на Антиохийском престоле, значение этой кафедры с IV в. начинает падать. Большинство Поместных Соборов в Антиохии в IV в. обсуждали проблемы, поднятые арианскими спорами. На одном из таких соборов (между 327 и 330 г.г.) был низложен епископ Евстафий — один из наиболее убежденных защитников Православия в Никее. Его сторонники (по словам святителя Иоанна Златоуста, вопреки завету самого Евстафия) при выборах нового епископа отделились, составив особую общину. Избранный большинством епископ Павлин Тирский (330 г.) через несколько месяцев был смещен, и его место занял арианин Евлалий, и Антиохийский престол надолго перешел к противникам Никейского вероопределения, положив начало длительному периоду церковных раздоров, раскалывающих Церковь.
Лишь в 380 г. после вступления на Константинопольский престол императора Феодосия I Великого, Никейская вера стала официальным вероисповеданием Римской империи. Церкви ариан, поставленных вне закона, были переданы православным, а на Антиохийскую кафедру из ссылки вернулся епископ Мелетий, которого император Феодосии I вскоре вызвал в столицу на II Вселенский собор (381 г.). На нем присутствовало 65 епископов Востока, на первых заседаниях председательствовал Антиохийский епископ Мелетий. Собор подтвердил Никейский Символ веры и дополнил его определениями о Святом Духе.
Одним из важнейших направлений развития церковной жизни Антиохийской Церкви раннего периода было монашество. В отличие от египетского, сирийское монашество на первых этапах было менее замкнутым: монахи вели миссионерскую проповедь среди язычников, активно занимались благотворительностью. В V в. начинают усиливаться проявления сурового аскетизма, возникает столпничество — уединение отшельника на горном утесе или на столпе. Самым известным из аскетов этого направления был преп. Симеон Столпник (+459), ставший олицетворением антиохийской святости. Десятки лет он провел на высоком столпе близ Антиохии, примиряя враждующих, обращая в христианство язычников, давая верующим наставления. С IV в. начинается строительство монастырей, как правило это были скромные двухэтажные постройки. Творения монахов Антиохийской Церкви, среди которых наиболее известны труды преподобных Симеона Столпника, Иоанна Мосха, Дорофея Газского и др., стали большим вкладом в церковную традицию подвижничества.
Христологические споры V в. привели к нарушению духовного единства христиан. В 431 г. из-под юрисдикции Антиохийской Церкви выходит Кипрская Церковь, а на IV Вселенском Соборе епископ Иерусалимский Ювеналий окончательно выходит из-под контроля антиохийского предстоятеля и договаривается о взаимных границах с Патриархом Максимом. В конце концов, от Вселенской Церкви обособились четыре национальных: Персидская, Армянская, Коптская и Сирийская, причем последняя возникла на территории Антиохийского Патриархата в результате распространения монофизитской доктрины. В дополнение к расколам, Антиохии не раз наносили ущерб природные катастрофы, особенно землетрясения в VI в. В 540 г. персидская армия шаншаха Хосрова I Ануширвана захватила Антиохию и почти полностью разрушила ее, уведя в плен немалое число горожан. Император Юстиниан I отстроил город, назвав его по-новому — Феополь (Божий Град), но от былого величия Антиохии уже практически ничего не осталось. Эпидемии, войны и землетрясения привели к прекращению судостроения и мореходства в прибрежных городах, упадку торговли и строительства.
В 610 г. персы вновь захватили Антиохию, в 613 г. — Дамаск, а в 614 г. Иерусалим, откуда в Иран были вывезены христианские реликвии — Честный Крест и Св. Копье. С огромным трудом император Ираклий смог собрать мощную армию и отвоевать у персов восточные провинции и вернуть в 628 г. священные реликвии. Однако изнурительная война подточила силы обеих сторон и мир оказался весьма зыбким.