Византийская эпоха внесла изменения в архитектуру Дамаска, связанные, прежде всего, со строительством христианских храмов. Впоследствии дамасские церкви неоднократно разрушались, и ни одна из ныне существующих, за исключением храма св. Анании, не содержит элементов византийских конструкций. Главная городская христианская базилика была возведена на месте храма Юпитера, по мнению исследователей, в 391 г., при императоре Феодосии I. Её планировка и размеры, равно как и первоначальное наименование, исследователям точно не известны. Легенда о захоронении на её территории главы Иоанна Крестителя (храм освящён во имя его) возникла после конца VI в. Языческая культура Дамаска долго сосуществовала рядом с христианской; христиане составили большинство населения едва ли раньше середины IV в., а в сельской округе – ещё позже. Тем не менее, епископ Дамаска следовал в иерархии Антиохийской православной церкви непосредственно после патриарха. В эпоху христологических споров и церковных расколов V–VI вв. сильные позиции в Дамаске имело монофизитство. Епископ Маммиан, сторонник Севира Антиохийского, в 518 г. был низложен и сослан за приверженность монофизитству в числе многих сирийских иерархов. В гражданской административной системе империи Дамаск был столицей провинции Финикия Ливанская. После 495 г. с юго-восточной стороны от храмовой ограды был возведён дворец губернатора. В византийскую эпоху начала меняться городская планировка. Исчезло централизованное регулирование застройки, характерное для римского времени с его приверженностью к прямым линиям и далёким перспективам. Ввиду замены колёсного транспорта вьючными животными отпала потребность в широких улицах. Прямоугольная сеть прямых римских улиц стала постепенно хаотично застраиваться. В VI в. безопасность Дамаска напрямую зависела от вассального арабского государства Гассанидов, прикрывавшего Южную Сирию от набегов враждебных племён пустыни. Владения Гассанидов охватывали Дамаск полукольцом с востока и юга. В 580 гг. произошёл конфликт между византийскими властями и гассанидской верхушкой, союзные отношения были прерваны. Дамаск снова превратился в пограничный город на краю неконтролируемой пустыни. В 613 г. Дамаск был захвачен персами Хосрова II, которые не нанесли особых разрушений городу. Персидский гарнизон стоял в Дамаске до 628 г., на следующий год город вернулся под византийское управление. Эпидемии, византийско-персидские войны и конфликт между православием и монофизитством ослабили Византийскую империю, и она не смогла оказать серьёзного сопротивления арабскому вторжению на Ближний Восток в 630 гг. Войско полководца Халида ибн аль-Валида осадило Дамаск в марте 635 г. Население города, тяготившееся властью Византии и не рассчитывавшее на помощь извне, в сентябре открыло ворота арабам. Согласно позднейшей традиции, переговоры о сдаче Дамаска вёл один из городских чиновников – Мансур, предок Иоанна Дамаскина. Мусульмане гарантировали неприкосновенность христианских храмов и имущества жителей, но были обложены подушной податью. Весной 636 г. крупная византийская армия начала наступление на арабов, они оставили Дамаск и отошли в Заиорданье. В августе 636 г. в битве на реке Ярмук византийская армия была разбита, и вскоре после этого арабы окончательно покорили всю Сирию. Дамаск был вторично занят ими в декабре 636 г. Халиф Умар назначил правителем города Язида ибн Абу Суфьяна, а после его смерти в 639 г. – его брата Муавию.