Las primeras comunidades cristianas comenzaron a establecerse pronto en la región. En 259 se creó la diócesis de Tarraco. En Barcino, hay constancia de una primitiva comunidad y obispo propio entre 260 (primeras incursiones francoalamanas alrededor del 270) y principios del siglo IV.

A principios del siglo IV surgen las veneraciones a cristianos martirizados durante la persecución de Diocleciano. Es el caso de san Cucufato (Sant Cugat en catalán), personaje de origen africano que había estado evangelizando en varias áreas de la actual Cataluña (Barcino, Egara, Illuro, Emporion) y que fue asesinado alrededor del Castrum Octavium (actual Sant Cugat del Vallés). Otras veneraciones, como sobre el martirio de santa Eulalia o san Severo, son de referencias más confusas; la santa Eulalia de Barcino parece ser un desdoblamiento de la santa Eulalia de Emerita Augusta. No es hasta el Edicto de Milán, en 313, que se dejó de perseguir y sancionar creencias ajenas al Imperio, especialmente el cristianismo.

Cabe suponer alguna comunidad judía estaba establecida en la ciudad durante el siglo IV. Caracalla permitió a partir de 212 la libertad para construir edificios de culto de judíos en el Imperio al considerarles ciudadanos. Algunos hallazgos en la Sinagoga Mayor de Barcelona, hacen creer en un templo primitivo judío en el mismo emplazamiento, y posiblemente afirmar que se trataría de la primera sinagoga de la península Ibérica, segregada de actividades propiamente cristianas.

El primero obispo conocido de Barcino fue Pretextat, que en el año 347 asistió al sínode antiarriano de Sárdica (o Serdica, actual Sofia, Bulgaria) , con Osio (Hosius) de Corduba. Le siguió el obispo Lampi (393-400). En esta época se inició la construcción de un templo paleocristiano, la basílica de la Santa Cruz, origen de la actual catedral.

Parece ser que el siglo IV fue una época tranquila y de paz. Por las necropolis se ha establecido que la ciudad amurallada estaba bastante poblada. Se deduce un buen nivel económico por los escritos del obispo Paciano (o Pacià). Posteriormente conocido como san Paciano, dirigió la diócesis entre el 360 y 390, es conocido por sus escritos contra los errores de los noviciados y sobre el bautismo y la penitencia. El obispo también advirtió de los peligros morales de una vida demasiado lujosa y cómoda, y de practicar ritos paganos en fin de año. A finales de siglo los municipios bajo el poder de Roma comenzaron a perder poder, en demanda del Imperio de más recursos económicos, lo que finalmente derivó en la ruralización de parte de la población y un moderado autogobierno de la ciudad.

Finalmente, tras la muerte de Teodosio I (379-395), se sucede la separación definitiva del imperio romano en dos, el Imperio Romano de Oriente y el Imperio Romano de Occidente. Teodosio I convirtió el cristianismo en la religión oficial del estado.