A la muerte de Alarico II en lucha contra los francos en 507, su hijo ilegítimo y sucesor, Gesaleico (507-511), replegó su reino y lo concentró en Hispania, con capital nuevamente en Barcino (Barcelona)
La Barcino Romana
Antes de la llegada de los godos a Barcino, era una ciudad Romana. Que había tomado la forma urbana de castrum inicialmente, y oppidum después, con los habituales ejes organizadores cardo maximus (actuales calles Llibreteria y Call) y decumanus maximus (calles Obispo, Ciudad y Regomir); en la confluencia de ambos se hallaba el forum (en la actual plaza de San Jaime), la plaza central dedicada a la vida pública y a los negocios. Desde este centro, la ciudad seguía un trazado ortogonal, con manzanas cuadradas o rectangulares, siguiendo una disposición de mallas que partía de dos ejes principales: un orden axial horizontal (noroeste-sudoeste) y otro vertical (sudeste-nordeste), los cuales marcarían el futuro trazado de la ciudad, y sería recogido por Ildefonso Cerdá en su Plan de Ensanche de 1859. El papel estratégico de Barcino, punto de llegada de los grandes ejes norteño —Vía Augusta— y mediterráneo, otorgó a la ciudad desde muy pronto un activo desarrollo comercial y económico; desde muy pronto también disfrutó de exención de impuestos. El máximo esplendor de la época romana se dio durante los siglos ii y iii, con una población que debía oscilar entre los 3500 y 5000 habitantes.Por otro lado, hacia el siglo iv Barcino había ya desplazado a Tarraco como referente de la región.
La principal actividad económica era el cultivo de tierras circundantes, especialmente la vid, que tenía buena fama y se exportaba a otras áreas del imperio como la Galia, Italia, el norte de África e incluso en la frontera germánica. Además del vino, se exportaba cerámica, sal de las minas de Cardona y salazón de pescado (garum). Por el valor de los restos arqueológicos (tamaño del templo, abundancia de esculturas, mosaicos, ánforas) se ha determinado que los habitantes gozaron de un buen nivel de vida; sin embargo, no hay evidencias de que la ciudad tuviese teatro, anfiteatroni circo.
El gobierno de la ciudad seguía el modelo que el imperio otorgaba a las colonias, que era relativamente autónomo. El municipio tenía jurisdicción sobre la ciudad (urbs) y el área rural que la rodeaba (territorium). La curia municipal (ordo decurionum), formada por un centenar de miembros (curiales), administraba todos los aspectos de la ciudad, tanto políticos como administrativos y judiciales. Las clases sociales se dividían entre ciudadanos (cives), domiciliados sin ciudadanía (incolae), residentes transitorios (hospites) y esclavos. Entre los pocos barcinoneses con nombre propio conocido destaca Lucio Minicio Natal (siglo ii), tribuno militar, cuestor, pretor, senador, cónsul y augur, y ganador además de una prueba de carreras de cuadrigas en los antiguos Juegos Olímpicos(año 129).
La Barcino, Visigótica
El inicio del siglo v supuso el principio del fin del Imperio romano de Occidente. Los visigodos, una rama de los pueblos godos, irrumpieron en el imperio por los Balcanes y se afincaron hacia el oeste. Otros pueblos bárbaros, como los vándalos, los suevos y los alanos, entraron en la península ibérica por el Pirineo oriental en 409, y tomaron varias provincias del oeste y sur de Hispania. Posteriormente, al mando de Alarico I, los visigodos saquearon Roma en agosto de 410.
El sucesor de Alarico, su hermanastro Ataúlfo (410-415), se casó en 414 con Gala Placidia, hija de Teodosio I, y estableció en Barcelona su corte. La capitalidad apenas duró unos meses, pues Ataúlfo murió asesinado en su palacio de la ciudad por un esclavo de Sigerico; a su vez, Sigerico fue asesinado al cabo de una semana también en Barcelona. Hacia 416 se permitió a los visigodos entrar en Hispania para controlar a los otros pueblos bárbaros establecidos, en calidad de fœderatide Roma. Walia reconquistó gran parte de Hispania, por lo que el emperador Honorio permitió a los visigodos acceder a Aquitania y Galia Narbonense para establecer su territorio, a partir de 417. Walia estableció su corte en Toulouse. Durante el reinado de Eurico (466-484), el reino de los visigodos se declaró independiente de Roma. Eurico tomó la Tarraconense (470-475), y forzó con el hérulo Odoacro la deposición del último emperador romano de Occidente, Rómulo Augústulo, en 476.
A la muerte de Alarico II en lucha contra los francos en 507, su hijo ilegítimo y sucesor, Gesaleico (507-511), replegó su reino y lo concentró en Hispania, con capital nuevamente en Barcelona. Una vez depuesto, la lucha entre sus partidarios y los del ostrogodo Teodorico el Grande dio lugar a la batalla de Barcelona (512), que dio el reino a Amalarico, hijo de Alarico II y nieto de Teodorico, el cual fue asesinado en Barcelona en 531. Su sucesor, Teudis, volvió a establecer la corte en Barcelona, hasta el año de su muerte en 548. Finalmente, tras sedes poco estables, Leovigildo fijó capital estable en Toledo en 573. Aun así, Barcelona continuó teniendo una gran relevancia económica, como demuestra el documento De fisco Barcinonensis (592), y el mantenimiento de una ceca hasta el final de este período.
En el año 673, una rebelión iniciada por el duque Paulo para hacerse con el poder a título de rey en Narbona incluyó aproximadamente los territorios de Septimania y Cataluña —y, por tanto, Barcelona—, aunque fue apaciguada por el rey visigodo Wamba. El reino visigodo se derrumbó con el desembarco musulmán de Gibraltar en 711, que dio origen a la formación de al-Ándalus.
Desde el final del Imperio romano la ciudad había destacado en la Tarraconense, y parece que tuvo bastante importancia entre los visigodos por establecer corte y capital en varios períodos (Ataúlfo, Gesaleico, Teudis). En general, el período visigodo es bastante desconocido. Parece que la ocupación del territorio fue pacífica, y que los ciudadanos no abandonaron la forma de vida romana y paleocristiana de forma agresiva, en parte porque los visigodos también estaban bastante romanizados. En la ciudad, los visigodos no constituyeron una población importante, y solo ocuparon puestos de poder, como la guarnición militar y las autoridades, formadas por el conde (comes civitatis) y su vicarius.
Los primeros visigodos que ocuparon la ciudad eran arrianos, mientras que la ciudad, por tradición hispanorromana, era católica. Según parece, hasta la conversión de Recaredo al catolicismo (589) la catedral de la Santa Cruz fue de credo arriano, mientras que el culto católico se practicaba en la iglesia de San Justo. Durante el obispado de Nebridio se celebró en Barcelona un concilio católico de la provincia eclesiástica de la Tarraconense (540); un segundo concilio católico se celebró en 599, en la catedral, bajo el obispado de Ugern.
Hay pocos restos del período visigodo, en que la ciudad se mantuvo intramuros. La mayor parte de lo conservado es visible en el subsuelo arqueológico del Museo de Historia de Barcelona. Se conocen restos de un palacio edificado en el siglo v sobre el antiguo foro romano, posteriormente Palacio Episcopal. Otro palacio, tal vez donde fuera asesinado Ataúlfo, se descubrió bajo el actual Salón del Tinell, en la plaza del Rey, donde también se descubrió una necrópolis de la época (siglos vi-vii). Además de la catedral, que evolucionó de la basílica paleocristiana, y de la mencionada iglesia de San Justo, hay constancia de que existían otras iglesias, como San Pablo del Campo y Santa María de las Arenas —posteriormente del Mar—.