Une colonie romaine fut fondée en l’an 17 av. J.-C. sous le nom d’Augusta Treverorum sur le site du chef-lieu des Trévires. Ce port sur la rive droite de la Moselle prit de l’importance et devint, dès le IIe siècle, une capitale marchande puis, à partir de 294, le siège d’un atelier monétaire impérial. Rempart contre les "Barbares" du nord, Trèves fut entourée d’une enceinte qui en faisait la plus vaste surface urbaine de la Gaule. Capitale impériale du nord, elle était alors qualifiée de Roma Secunda. Au début du Ve siècle, à l’époque de l’arrivée des Francs, la capitale de la Gaule fut transférée à Arles.
Parmi les nombreux édifices de Trèves qui subsistent encore de l’époque romaine figurent la Porte noire, une basilique et des établissements thermaux.
Édifice emblématique de la ville de Trèves, cette porte de l’enceinte romaine ouvrait vers le nord-est. Le nom Porta nigra vient du fait que la pierre, exposée aux intempéries, est noircie par les moisissures. Cette porte présente la caractéristique d’être double, ménageant entre ses deux faces un espace qui fut utilisé, à l’époque moderne, comme église : on y voit des décors sculptés du XVIIIe siècle.
Trèves possédait plusieurs établissements thermaux parmi lesquels les thermes impériaux. Ces derniers sont les vestiges de bains publics romains qui semblent n’avoir jamais été mis en service : ils restèrent inachevés, l’empereur Constantin ayant transféré sa capitale à Constantinople.
De nombreuses galeries souterraines dédiées au chauffage et aux évacuations d’eau sont visibles au niveau inférieur. Le diamètre du dôme en maçonnerie qui surplombe le tepidarium atteint 16,4 mètres.
Construit entre le IIIe et le IVe siècle, l’édifice, chauffé par hypocaustes, servait de salle du trône à l’empereur Constantin. La basilique romaine fut régulièrement transformée au fil des siècles et servit vraisemblablement de château-fort, puis de maison-tour. Depuis le XIXe siècle, elle a repris son aspect initial. Elle abrite aujourd’hui le culte protestant.
Les très belles collections de ce musée témoignent en particulier de l’importance de Trèves sous l’empire romain.
À quelques dizaines de kilomètres au sud de Trêves, le village de Nennig, situé sur la rive droite de la Moselle, conserve une mosaïque découverte en 1852 qui représente des scènes liées aux jeux du cirque. Elle ornait l’atrium d’une très importante villa romaine.