С 270 гг. до н.э. хозяевами положения в окрестностях Византия стали кельтские племена галатов, мигрировавших из Центральной Европы; они разгромили и серьёзно ослабили Македонию и захватили земли во Фракии и в Малой Азии. В 278 г. до н.э. Византий откупился от угрозы их нападения и затем около 50 лет выплачивал им регулярную дань. Память о переселениях кельтов сохранилась в названии района Константинополя Галата на северном берегу Золотого Рога. Около 260 г. до н.э. попытку установить контроль над проливами предпринял царь Востока Антиох II. Он начал осаду Византия, несмотря на активную помощь, которую оказывали городу соседние полисы Геллеспонта и фракийского побережья, а также Египет. После долгой борьбы византийцы согласились сдаться и признать Антиоха II своим покровителем, но сохранили независимость во внутренних и в экономических делах. В середине III в. до н.э. Византий возобновил взимание регулярной пошлины за провоз товаров через Боспор, что вскоре вызвало рост недовольства и враждебности к городу со стороны большого числа других государств. Около 220 г. до н.э. против Византия выступил союз Родоса и Вифинского царства, которые своими сухопутными и морскими силами блокировали Геллеспонт, угрожая уничтожить экономику врага. Осада Византия вифинцами вновь встретила упорное сопротивление горожан, но спустя некоторое время византийцы согласились заключить мир. Византий отказался от своих владений на восточном берегу Боспора в пользу Вифинии, а также от взимания пошлин. Интересам Византия был нанесён существенный урон, но положение города оставалось достаточно прочным. В 202 г. до н.э. Византий вступил в войну против Македонии в союзе с Родосом, Хиосом, Пергамом и несколькими другими полисами. В 201 г. до н.э. посольство союзников было принято римским сенатом, и Рим согласился вступить в войну против Македонии на их стороне. Таким образом, война, которая закончилась в 197 г. до н.э. разгромом македонцев, стала началом многовекового союза Византия с Римом. Римские политики неизменно ценили стратегически важное положение и экономическую мощь Византия, стремились использовать союз с ним на взаимовыгодной основе и не вмешиваться во внутренние дела полиса. Со 146 г. до н.э. Византий имел статус федерата Рима. Римляне постоянно использовали Византий как одну из главных баз во всех походах на Восток во II в. до н.э. – I в. н.э., присоединив к своим владениям сначала эллинистические государства Малой Азии и Сирии, а затем воевали с парфянами и их союзниками. В системе формирующейся Римской империи Византий очень долго сохранял независимый статус. Лишь в правление императора Веспасиана в 74 г. н.э. город был включён в состав римской провинции Вифиния и Понт, и управление им было передано римскому наместнику. В целом почти 400-летний период (с начала II в. до н.э. и до конца II в. н.э.) был стабильным в истории города. Византий за это время ни разу не подвергался угрозе нападения. По преданию, в I в. в Византии появилась христианская община; её основателем стал апостол Андрей Первозванный, который проповедовал в этих местах (см. ст. Константинопольская православная церковь).