מבחינת שיעור האוכלוסין בעיר, יש להבחין בין תושבי הקבע שהתגוררו בה, לבין רבבות עולי הרגל שנהרו אליה ובזמנים מסוימים הגדילו את מספר התושבים. הארכאולוג וההיסטוריון מגן ברושי ביצע אומדן, שלפיו שטח העיר היה כ-1,065 דונם, ולפיכך מספר תושביה היה כ-53,000 נפש (50 נפש לדונם). אומדנים שמרניים יותר הציעו מספר נמוך יותר של תושבים בין החומות, אך לא התעלמו מתושבים שהתגוררו בכפרים ובחוות הרבות שסביב העיר; ולפיכך האומדנים השונים מסכימים על סדר גודל של 50 - 60 אלף נפש בירושלים בתקופה הביזנטית. על פי רשימותיו של תומאס הקברן, נהרגו במהלך הכיבוש הפרסי במאה ה-7 בין 30 ל-65 אלף איש בעיר ובסביבתה, ולכן, על פי עדות זו, חלה עלייה בשיעור האוכלוסין שבעיר בסוף התקופה עד לכדי סדר גודל של 100,000 איש.
הקארדו מאקסימוס והקארדו ולנטיס.
במפת מידבא נראים בבירור שני רחובות אורך, הקארדו המרכזי (קארדו מאקסימוס) המעוטר בשני טורי עמודים משער שכם עד אזור כנסיית הניאה, והקארדו המזרחי (ה"משני" - קארדו ולנטיס) המצוין כבעל טור עמודים יחיד, לאורך ציר הטירופאון. במקורות הכתובים מתואר הקארדו המרכזי כציר התנועה הראשי של התהלוכות הדתיות. מחפירות שנערכו בשנים 2005–2009, עולה כי ייתכן שהבחנה זו בין "קארדו ראשי" ו"קארדו משני" שגויה. לפי הממצאים, רוחבו של הקארדו המרכזי 22.5 מ' והקארדו המזרחי רחב ממנו, 24 מ'. שני הרחובות דומים מאוד בדרך בנייתם - ציר תנועה מרכזי ולצדו "מדרכות", מאחורי אכסדרת עמודים. שני הרחובות רוצפו היטב בלוחות אבן מלבניים שהוצבו במקביל לכיוון התנועה. אמנם בחפירות הקארדו המזרחי התגלו בסיסי עמודים רק בצדו המזרחי של הרחוב, באופן שמתאים לתיאור במפת מידבא, אך ייתכן שהייתה שורה כזו גם מצדו המערבי, כמו ברחובות דומים בערים אחרות. האמן שיצר את מפת מידבא, ביקש ככל הנראה להדגיש את מרכזיותו של הקארדו כציר מקשר בין כנסיות וכתוואי עיקרי לתהלוכות דתיות, לעומת הרחוב הדומה לו במבנהו, ששכן ממזרח לו, אך לא היה בעל שימוש דתי, ומופיע לפיכך כ"משני".
כנסיית הקבר.
כבר בראשית התקופה (בין השנים 326-335) נבנתה על גבעת הגולגולתא כנסייה גדולה המציינת את מקום צליבתו, קבורתו וקימתו לתחייה של ישו. הכנסייה הוצבה על תוואי הקארדו הרומי, שעבר מ"שער העמוד" (שער שכם) אל רחוב הדקומנוס, ונבנתה כמתחם מקודש (המורכב מחצר ומבזיליקה), המוביל מהקארדו הראשי הקיים אל גבעת הגולגולתא ואל הרוטונדה המקיפה את הקבר הקדוש.
זיהוי מקום הצליבה והקבורה המדויק מיוחס להלנה, אמו של הקיסר קונסטנטינוס, שביקרה בירושלים בשנת 326, בעקבות פנייתו של בישוף ירושלים מקאריוס אל הקיסר בוועידת ניקאה בשנת 325 לחשוף את קבר ישו. מורה דרך מקומי הראה להלנה את מקום הקבורה וכמה שרידי צלב שיוחס לישו. בעקבות כך קידשה הלנה את המקום.
גילוי הצלב נתפש כסמל לקשר שבין ירושלים לשלטון וכעדות לאדיקותו הדתית. דוגמה לכך אפשר למצוא במכתב שחיבר בשנת 351 קיריליוס, בישוף ירושלים, אל קונסטנטיוס השני, בנו של קונסטנטין:
אדריכל מפעל הבנייה הנרחב של הכנסייה והמבנים הסמוכים, היה כנראה סורי או ארצישראלי בשם זנוביוס.
חפירה שנערכה בשטח הפטריארכיה הקופטית בשנת 1997, באזור שמצפון לכנסייה הנוכחית, חשפה את שרידיו של מבנה ריבועי באורך של 16 מ' העשוי מאבני גזית. המבנה תוארך למאות 4–5 לספירה, והארכאולוגים מעריכים כי שימש כאחד ממבני הספח של הכנסייה, כגון בפטיסטריום, עליו ידוע מכתבי הצליינים.
במהלך התקופה הביזנטית שופץ המבנה מספר פעמים, את השיפוץ הנרחב ביותר ערך, כנראה, הקיסר יוסטיניאנוס, במחצית השנייה של המאה ה-6. מבנה זה היה ללא ספק המבנה החשוב והמרכזי ביותר בירושלים באותה תקופה. עדות לכך ניתן למצוא במפת מידבא, שבה מוצגת כנסיית הקבר במרכז ירושלים.
עדות נוספת לתפיסת מרכזיותה של הכנסייה ניתן למצוא בקביעת תאריך חג חנוכת הכנסייה ל-14 בספטמבר. תאריכו של חג זה, שנחגג לראשונה בשנת 335, מציין גם את יום חנוכת מקדש יופיטר על גבעת הקפיטולין ברומא. זהו גם התאריך שבו נחגג חג מציאת הצלב. המשמעות העשויה להיווצר מבחירת התאריך הייתה ניצחונה של הנצרות על הפגניות. גם ייצוגים אמנותיים שונים מהתקופה מעידים על חשיבותה הדתית של הכנסייה. ייצוגים כאלו מופיעים על גבי מכלי שמן קדוש (אמפולות) ששימשו את עולי הרגל ואף במבנים ממשיים, כדוגמת מבנה כנסיית סן סטפאנו רוטונדו (Santo Stefano Rotondo) ברומא, בהם הפך המבנה המרכזי המעוגל של הרוטונדה לאלמנט דתי סמלי.
הר הזיתים.
אחד האתרים שהתקדשו בתקופה הביזנטית מראשיתה היה הר הזיתים, ובו נקשרו מסורות הקשורות ליומו האחרון של ישו, לעלייתו השמיימה ולקבורת מריה. כאמור, עולה הרגל תיאודיסיוס העיד בראשית המאה ה-6 שעל ההר לבדו מצויות 24 כנסיות.
בראש ההר נבנתה כנסיית האלאונה, אחת הכנסיות הראשונות שהוקמו בירושלים בתקופה הביזנטית. היא הוקמה על ידי הלנה ב-334, יחד עם כנסיית המולד בבית לחם וכנסיית הקבר בירושלים. הקמת הכנסייה, המשמרת את זיכרון אירוע עליית ישו לשמים, יחד עם כנסיות המשמרות את זיכרון לידתו ומותו, מצביעה על החשיבות העצומה שהעניקה הנצרות, כבר בראשיתה, למסורת עלייתו של ישו לשמים.
שמה של הכנסייה, אלאונה, נגזר מהמונח היווני Elaia שפירושו עץ זית. השם הוענק תחילה להר כולו, אך אגריה, אחת הצלייניות הראשונות לארץ הקודש המתארת את הכנסייה במאה הרביעית, מתייחסת בשם זה לכנסייה עצמה. העברת השם מלמדת על חשיבות הכנסייה: זאת הכנסייה המרכזית של הר הזיתים, היא מייצגת את ההר ולכן אין להתפלא שהיא באה להנציח יותר מאשר מאורע אחד. הכנסייה נהרסה בפלישה הפרסית ב-614, אולם ייתכן כי נבנתה מחדש על ידי האב מודסטוס (Modestus) שהפך מאוחר יותר לפטריארך של ירושלים, ונהרסה שוב על ידי הח'ליפה אל-חאכִּם בִּאמר אללה ב-1009.
סמוך לאלאונה הוקמה כנסיית העלייה. קידוש מקום זה כמקום הבלעדי לעלייה נקבע בתקופה שבין 348–381 לערך, זמן ביקורה של הצליינית אגריה בירושלים, המייחסת את מסורת העלייה לשמים למקום זה. היא מכנה את המקום "אינבומון" שהוא שיבוש של המלים היווניות "אן בומו": "על במת ההר". סמוך לאחר עזיבת אגריה את ירושלים, בנתה במקום האצילה הרומאית העשירה פומניה (אחת מאצילות החצר של הקיסרית אאודוקיה) כנסייה מיוחדת המוקדשת אך ורק לעלייה לשמים. הכנסייה נבנתה בצורת קפלת זיכרון עגולה המורכבת משלושה מעגלים קונצנטריים. במעגל הפנימי היה מעקה שהגן על האבק שיצר באופן פלאי את סימני כפות רגליו של ישו. מעל לחלק הזה נפתח הגג לשמים. הקפלה נהרסה על ידי הכובשים פרסים ב-614 ונבנתה מחדש על ידי מודוסטוס.
המערה שוכנת בין הר הזיתים להר הבית. הקברים המקוריים מתוארכים למאה הראשונה לספירה, ומורכבים מקברי כוכים וארקוסילה. מאוחר יותר הקבר שזוהה כקברה של מרים הופרד מהסלע שהקיף אותו ועוצב בצורת צלב.
בראשית המאה ה-5 נבנתה במורדות ההר, בערוץ נחל קדרון, בחלקו הנקרא במקרא "עמק יהושפט", כנסיית קבר מרים. הכנסייה קודשה על ידי הפטריארך יובנאליס (422–458) מיד לאחר ועידת כלקדון. דומה כי הקיסר מאוריסוס החליף בסוף המאה ה-6 את הכנסייה הצנועה שעמדה מעל לקבר בבזיליקה מפוארת יותר, והכנסייה הקודמת הפכה לקריפטה. הכנסייה העליונה נהרסה על ידי הפרסים ב-614 והייתה בין הראשונות ששוקמו על ידי מודסטוס.
בנוסף מצויים על הר הזיתים שרידי כנסייה שמעליהם הוקמה כנסיית דומינוס פלוויט.
כנסיית הניאה.
"הכנסייה החדשה על-שם מרים אם ישו" הייתה כנסייה ענקית שהתקיימה בין שנת 543 ועד המאה התשיעית או העשירית.
הכנסייה נבנתה על ידי הקיסר יוסטיניאנוס באזור הדרומי ביותר של ירושלים של ימיו, בפסגת הר ציון, בתחילת השתפלותו דרומה לכיוון גיא בן הינום, במקום שבו נמצאים בימינו שער ציון ומגרש החניה של הרובע היהודי.
הכנסייה הייתה מפעל בנייה עצום, בקנה מידה הרודיאני. אורכה של הכנסייה היה כנראה 116 מ' ורוחבה 52 מ' (כמגרש כדורגל) והיא הייתה בנויה כבזיליקה.
הכנסייה נהרסה בעת הכיבוש הפרסי ב-614, שוקמה, נהרסה שנית ברעש שביעית באמצע המאה ה-8, ושוקמה באופן חלקי עד שנהרסה ונעלמה במהלך המאה ה-9 או ה-10.
מבני מגורים.
לפי ניתוחו של הארכאולוג מאיר בן דב, שחשף עם בנימין מזר רובע מבני מגורים סמוך להר הבית (באזור העופל), המבנים שנבנו בעיר במאה ה-4 וה-5, הוקמו בכלים, ידע וסגנון אדריכלי שיובאו מבחוץ, בעוד מבנים מהמאה ה-6 הוקמו בטכניקה ירושלמית מקומית שסיפקה פתרונות מתאימים יותר מבחינת תנאי הארץ והאקלים המקומי. כך למשל פחת השימוש בעץ וברעפים וגדל השימוש באבן. הבתים היו דו-קומתיים, הקומה התחתונה הקיפה חצר פנימית וחדריה שימשו לבתי מלאכה, למחסנים ולבעלי חיים, והקומה העליונה שימשה למגורים. הארכאולוגים חשפו בקומות התחתונות של חלק מהמבנים שרידי מטבחים, ובאחד מהם אף בית שימוש. בשל השימוש בקורות עץ לבניית תקרת הקומה הראשונה, נבנתה בתוך כל חדר קשת אבן לקיצור הטווח שיש לכסות בעץ, כיוון שקורות העץ שניתן לאתר בארץ ישראל קצרות יחסית.
הר הבית בתקופה הביזנטית.