בשנת 361 לאחר כמה עשורים של מלחמת אזרחים נוספת, הפך יוליאנוס הכופר לקיסר. צו הסובלנות, אותו הוציא בשנת 362 פקד על פתיחת המקדשים הפגאנים, ובנוסף, במה שהיה בעייתי הרבה יותר עבור הכנסייה הנוצרית, אישר את חזרתם של כמה בישופים נוצרים ששהו בגלות. בסופו של דבר חידש יוליאנוס את המלחמה נגד שאפור השני מלך האימפריה הסאסאנית, אך לאחר שלא הצליח לכבוש את הבירה קטסיפון, הוא נפצע פצעי מוות תוך כדי נסיגה לשטח הרומאי בשנת 363. לאחר מותו של יוליאנוס בחרו קציני הצבא את יוביאנוס לקיסר. עקב היות הצבא הרומי לכוד בגדה המזרחית של נהר הפרת, נאלץ יוביאנוס לכרות הסכם שלום בתנאים קשים עם הפרסים. בהסכם זה נאלץ יוביאנוס להעביר מחוזות רבים במזרח לידיהם של הפרסים, כדי שיוכל להעביר את חייליו בבטחה חזרה לשטחים הנמצאים בשליטה רומית. בניגוד לקודמו היה יוביאנוס נוצרי, וככזה החזיר את זכויות היתר של הנוצרים לקדמותן, לפני שמת בשנת 364.
לאחר מותו של יוביאנוס, נבחר ולנטיניאנוס הראשון, שהיה הראשון לשושלת ולנטיניוס, לאוגוסטוס, שבחר באחיו ואלנס לכהן עמו כקיסר שותף. בשנת 365, הצליח פרוקופיוס, בן דודו של הקיסר יוליאנוס, לשחד שני לגיונות, שהכריזו עליו כאוגוסטוס. מלחמה פרצה בין שני הקיסרים המזרחיים היריבים שנמשכה עד לתבוסתו של פרוקופיוס והוצאתו להורג בידי ואלנס בשנת 366, בשנת 367 הוכרז גרטיאנוס, בנו בן השמונה של ולנטיניוס, כקיסר בידי שני האחים. בשנת 375 הוביל ולנטיניוס הראשון את צבאו למסע מלחמה נגד הגרמאנים, אך נפטר זמן קצר לאחר מכן. ירושת השלטון לא הלכה כמתוכנן, גרטיקוס היה נער בן 16 ומוכן לתפקיד הקיסר, אך החיילים בפאנוניה הכריזו על בנו הפעוט של ולנטיניוס מאשתו השנייה ואחיו למחצה של גרטינוס, כקיסר בשם ולנטיניאנוס השני, גרטינוס קיבל זאת בהסכמה שבשתיקה.
בינתיים, ניצבו בפני הקיסרות הרומית המזרחית בעיות משלה עם השבטים הגרמאנים. שבט גרמאני שנמלט מאדמותיו לשעבר וחיפש מפלט בשטחי הקיסרות המזרחית. ואלנס אישר להם להתיישב בגדה הדרומית של נהר הדנובה בשנת 376. אך לא חלף זמן רב והשבט הגרמאני התמרד נגד מארחיו הרומאיים, ובשנת 378 הוביל ואלנס בעצמו מסע מלחמה נגדם, מסע זה התברר כאסון עבור הרומאים שני הצבאות נפגשו בקרבת העיר אדירנה של ימינו, אך ואלנס היה ככל הנראה בעל ביטחון מופרז בשל היתרון המספרי של כוחותיו על אויביו. ואלנס, להוט לקחת את כל התהילה לעצמו, הסתער לשדה המערכה, וב-9 באוגוסט 378, התרחש קרב אדריאנפוליס שתוצאותיו היו תבוסה מוחצת לרומאים, ומותו של הקיסר ואלנס.
ההיסטוריון בן התקופה, אמיאנוס מארקלינוס, העריך כי שני שלישים מהצבא הרומי אבדו בקרב. לקרב היו השלכות מרחיקות לכת, מאחר שחיילים ותיקים וקצונה יקרת ערך היו בין האבדות הכבדות, שהשאירו את הקיסרות עם בעיות במציאת הנהגה צבאית חלופית. גרטינוס היה עתה אחראי בפועל על כל הקיסרות. למרות זאת הוא חיפש אוגוסטוס שיחליפו בניהול הקיסרות המזרחית ובשנת 379 הוא בחר את תאודוסיוס הראשון.
תאודוסיוס, מייסדה של השושלת התאודוסית, הכריז על בנו בן החמש ארקדיוס כאוגוסטוס בשנת 383 בניסיון להבטיח המשכיות. הגנרל ההיספני קלטי, מגנוס מקסימוס, המוצב בפרובינקיה בריטניה, שהוכרז כאוגוסטוס בידי חייליו בשנת 383, מרד בגרטינוס בשעה שפלש לגאליה. גרטינוס נמלט, אך נרצח בזמן מנוסתו. בעקבות מותו של גרטינוס, היה על מקסימוס להתייחס לולנטיניוס השני, שהיה באותו הזמן בן 12, כאוגוסטוס הבכיר (הוותיק). מקסימוס נכנס במהרה למשא ומתן עם ולנטיניוס השני ועם תאודוסיוס, בניסיון לזכות בהכרתם הרשמית, אך למרות ניסיונותיו משא ומתן זה לא נשא פרי. בשנת 388 יצא תאודוסיוס למסע מלחמה מערבה והשיג ניצחון מכריע נגד צבאו של מקסימוס, שנתפס והוצא להורג. בשנת 392 נרצח ולנטיניוס השני, וזמן קצר לאחר מכן מינה הגנרל הפרנקי ארבוקסט את אאוגניוס כקיסר.
מכל מקום, הקיסר תאודוסיוס הראשון סירב להכיר באאוגניוס כקיסר ופלש לקיסרות הרומית המערבית, בשנת 394 נפגשו הצבאות על גדת הנהר פריגידוס שלמרגלות האלפים, הגורם לניצחון היה נטישת חלק מצבאו לשעבר של מקסימוס וחבירתו לצבאו של תאודוסיוס, בעקבות ניצחונו המכריע של תאודוסיוס התאבד ארבוגסט ועוד באותו היום הוצא גם אאוגניוס להורג. וכך איחד תאודוסיוס שוב את הקיסרות הרומית לישות אחת תחת שלטונו. תאודוסיוס הראשון היה הקיסר האחרון ששלט על הקיסרות כולה. כקיסר הוא הפך את הדת הנוצרית לדת הרשמית בקיסרות. לאחר מותו בשנת 395, הוא הוריש לשני בניו, האחים למחצה, הונוריוס וארקדיוס את הקיסרות שחולקה בפעם האחרונה. במהלך המאה ה-5 המשיכו לשלוט בקיסרות הרומית שני קיסרים נפרדים שישבו על שני מוקדי כוח שונים, ועל אף שהרומאים המזרחיים החשיבו את עצמם כרומאים לכל דבר. שני חלקי הקיסרות היו תרבותית, היסטורית, אף אם לא מדינית, מדינה אחת רק להלכה בלבד.
התמוטטות הקיסרות הרומית המערבית (395 - 476).
לאחר שנת 395, הקיסרים בקיסרות הרומית המערבית היו בדרך כלל שליטי בובה, בעוד השליטים האמיתיים היו אנשי צבא חזקים. שנת 476 היא השנה המוסכמת באופן כללי על ההיסטוריונים כשנה בה חדלה הקיסרות הרומית המערבית מלהתקיים. באותה שנה, סירב פלביוס אורסטס, אביו של הקיסר רומולוס אוגוסטולוס, וראש הצבא (מגיסטר מיליטום), להעניק אדמות להתיישבות לשכירי החרב הגרמאנים שהיו תחת שירותו על אדמת איטליה. החלטה זו גרמה לחוסר שביעות רצון בקרב שכירי החרב שמרדו תחת הנהגתו של אודואקר והדיחו את הקיסר האחרון, רומולוס אוגוסטולוס. אירוע זה נחשב באופן מסורתי כנפילתה של הקיסרות הרומית המערבית.
אודואקר כבש במהירות את שאר מחוזותיה של איטליה, ואז שלח את מחלצות הקיסר (בגדיו הרשמיים) לשליט הקיסרות הרומית המזרחית, זנון. זמן לא רב אחר כך הגיעו אל זנון שתי משלחות, האחת מאודואקר, שביקש כי שליטתו על איטליה תוכר באופן רשמי בידי הקיסרות המזרחית, ובמקרה כזה הוא יכיר בעליונות של זנון עליו. המשלחת השנייה הייתה מיוליוס נפוס הקיסר ששלט לפני רומולוס אוגוסטולוס, שביקש את תמיכתו של זנון בתפיסת כס השלטון מחדש. זנון נענה לבקשתו של אודואקר, עם מותו של יוליוס נפוס בשנת 480, תבע זנון את הפרובינקיה של דלמטיה לקיסרות המזרחית. אודואקר סירב להכיר בכך ותקף את דלמטיה, המלחמה שנבעה מכך הסתיימה עם כיבושה של איטליה בידי תיאודריך הגדול מלכם של האוסטרוגותים.
בהדרגה איבדה קיסרות את השפעת הרומניזציה שלה והפכה יותר גרמנית באופייה: על אף שהקיסרות התכופפה תחת מטר בלתי פוסק של התקפות מצד הויזיגותים, ההפיכה שהדיחה את הקיסר האחרון רומולוס אוגוסטולוס בוצעה על ידי חיילים ששרתו בצבא הקיסרות ולא על ידי חיילים זרים. מהכרה זו ויתר אודואקר על התואר קיסר והכריז על עצמו כ"מלך איטליה" במקום, הקיסרות יכולה הייתה להמשיך, אם כי רק בשם. זהותה, בכל אופן, לא הייתה רומית יותר, היא אוכלסה בצורה גוברת והולכת בידי גרמאנים שאף הגיעו לעמדות הכוח הבכירות ביותר זמן רב לפני שנת 476.
במאה ה-5 היה העם הרומאי נטול מערכיו הצבאיים, שהביאו את הקיסרות אל ימיה הגדולים, ואילו הצבא הרומי עצמו לא היה יותר מאשר תוספת לפדרציה של חיילים בני עמים שונים כמו: הגותים, ההונים, הפרנקים ואחרים שלחמו למענם. תאוריות רבות נוצרו כדי להסביר את נפילתה של הקיסרות הרומית, ותאריכים רבים ניתנו למועד נפילתה, החל מתחילת התדרדרותה במאה ה-3 ועד לנפילתה של קונסטנטינופול בידי הטורקים העות'מאניים בשנת 1453.
צבאית, מכל מקום, הקיסרות המערבית נפלה לבסוף לאחר סדרה ארוכה של פלישות מצידם של השבטים הגרמאנים. ליבה של הקיסרות, אשר באיטליה, נתפס על ידי חיילים גרמאנים שמרדו. האותנטיות ההיסטורית והתאריך המדויק לנפילת הקיסרות אינם ודאיים, וישנם היסטוריונים שאינם מחשיבים את נפילת הקיסרות דווקא למועד זה (הדחתו של רומולוס אוגוסטולוס). חילוקי הדעות נמשכים מכיוון שתהליך התמוטטותה של הקיסרות היה ארוך והדרגתי ולא מאורע יחיד.
הקיסרות הרומית המזרחית (476 - 1453).
עם התמוטטותה של הקיסרות הרומית המערבית במהלך המאה ה-5, נמנע רובו של ההרס מהקיסרות הרומית המזרחית העשירה, באמצע המאה ה-6 הקיסרות הרומית המזרחית (הידועה כקיסרות הביזנטית) תחת שלטונו של יוסטיניאנוס הראשון כבשה מחדש את איטליה וחלקים מאיליריה מידיהם של האסטרוגותים, את צפון אפריקה מידיהם של הונדלים ואת דרום ספרד מידיהם של הוויזיגותים. בשעה שכיבושה מחדש של דרום ספרד לא האריך ימים והיה ארעי בלבד, כיבושה מחדש של צפון אפריקה שירת את הקיסרות הביזנטית למשך עוד מאה שנה, חלקים מאיטליה לעוד 500 שנה ואילו חלקים מאיליריה אף לתקופה ארוכה מזה.
מבין התאריכים הרבים המקובלים לסיומה של המדינה הרומית הקלאסית שנת 610 הוא המאוחר שבהם. וזאת כאשר בוצעו רפורמות נרחבות על ידי הקיסר הרקליוס, ששינו לתמיד את פני הקיסרות. השפה היוונית אומצה מחדש כשפת השלטון ומשקלה של השפה הלטינית הלך ודעך. עד לשנת 610, הקיסרות הרומית המזרחית הייתה כולה תחת השפעה יוונית ברורה, וניתן להחשיב כי היא הפכה למה שהיסטוריונים מודרניים רבים מכנים כקיסרות הביזנטית; לעומת זאת, הקיסרות מעולם לא כונתה כך בפי תושביה, אשר שהשתמשו בשמות כגון: רומאניה, בסיליאה רומאיון או פרגמאטה רומאיון, שמשמעותן: "ארצם של הרומאים", "הממלכה של הרומאים", ושעדיין ראו את עצמם כרומאים, ואת מדינתם כיורשת הלגיטימית לקיסרות רומא העתיקה.