Кельн начинает стремительно расти, и уже в 85 г. становится столицей римской провинции Нижняя Германия, что еще более способствует его процветанию. Здесь селятся ремесленники, купцы и жрецы, строится дворец римского претора. Кельн окружают римские стены, которые с небольшими изменениями переживут империю и будут использоваться еще в Средневековье, развивается стекольная промышленность, основывается монетный двор.

Важное событие в жизни Кельна произошло в 310 г., когда по указу императора Константина был построен мост через Рейн, который оставался единственным в городе вплоть до 19 в. В Кельне формируется крупная христианская община, и кельнский епископ принимает участие во Вселенских соборах. Империя стремительно слабеет, а богатый город служит предметом вожделения окружающих его варварских племен. Легенда гласит, что недалеко от Кельна приняла мученическую смерть св. Урсула, считавшаяся покровительницей города. Она была дочерью английского короля, но приняла христианство, собрала 11 девушек, давших обет безбрачия, и отправилась в Рим. По дороге ей во сне явился ангел, сказавший, что после посещения папы она должна отправиться в Кельн и принять там смерть. Так и произошло, по дороге в Кельн на ее спутников напали гунны и всех перебили. Многочисленные набеги варваров на город, один из которых, по-видимому, и нашел отражение в этой легенде, успешно отражались, пока в 454 г. франкам не удалось завоевать Кельн. Он присоединяется к владениям короля Хлодвига, а преторианский дворец становится королевским.

При Карле Великом, империя которого включила в себя бывшие франкские владения, в городе было основано архиепископство, что вызвало необходимость построить собор, и в 870 г. был построен первый Кельнский собор в романском стиле. После раздела империи Карла Великого Кельн входит в состав Священной римской империи, и император Оттон I ставит на архиепископскую кафедру своего брата, герцога Лотарингского. В Кельне живет также жена Оттона, византийская принцесса Теофану. Это делает Кельн одним из важнейших городов Германии.

В 1164 г. архиепископ Кельнский Райнальд фон Дассель, близкий друг Фридриха Барбароссы, стал канцлером Италии, что позволило ему перенести мощи волхвов из Милана в Кельнский собор, где они находятся и поныне. Присутствие христианской святыни вызвало большой поток паломников в Кельн и способствовало процветанию города. В 1248 г. начинается строительство готического собора, бывшего на тот момент самым большим в мире, который должен был послужить монументальным хранилищем для раки с мощами. В это же время кельнский архиепископ становится курфюрстом, т.е. приобретает право выбирать императора.