Sous l'Empire, Cenabum, cité des Carnutes, est le centre du commerce des céréales de la Beauce grâce à la Loire et aux axes routiers reliant les cités romaines. Au IIIe siècle, l'empereur Aurélien reconstruit les remparts de la ville qui, dorénavant, portera son nom Aurelianum ou Orléans. Vers 260, la cité est assaillie par les Alamans, puis les Germains. En 408, Vandales et Alains franchissent le fleuve. Un des groupes, mené par Goar de Rhénanie, s’allie au général romain Aetius qui les installe sur la Loire et à Orléans. En 451, les Huns menaçant la cité, l’évêque saint Aignan requiert l’aide d’Aetius et des auxiliaires barbares : ils se battront contre Attila aux Champs Catalauniques. En 463, la bataille d'Orléans oppose Wisigoths et Romains qui sortent vainqueurs. La conquête de la région par les Francs a lieu en 486 sous le règne de Clovis. C’est à Orléans, ville sur la rive droite ‘franque’ de la Loire, que, peu après sa victoire sur les Wisigoths, le rex francorum organise en 511 le premier concile qui confirme les liens entre le roi des francs et l’Eglise et condamne l’arianisme, ainsi que le fit en 506 le concile d’Agde. Au décès de Clovis, en 511, le royaume échoit à Clodomir. Orléans devint sedes regiae, lieu du pouvoir, la ville offrant l’avantage de se situer aux limites des autres royaumes.

Le Musée historique et archéologique de l'Orléanais renferme le trésor de Neuvy-en-Sullias, ensemble exceptionnel de bronzes gaulois et gallo-romains.