למרות קשרי האהבה ביניהם, האינטרסים הפוליטיים של אנטוניוס אילצו אותו לעזוב באביב 40 לפנה"ס את מצרים ואת קלאופטרה ולחזור לרומא. בספטמבר 40 לפנה"ס הגיע אנטוניוס להסכם עם אוקטביאנוס בברונדיסיום לגבי חלוקת שטחי פיקוד והשפעה של האימפריה הרומית ביניהם. הצורך בהסכם ברונדיסיום נוצר על רקע הסכסוך המתמיד ביניהם, ונבע גם ממעשיהם של אחיו של אנטוניוס לוקיוס אנטוניוס ואשתו המתה פולביה שפעלו נגד אוקטביאנוס בניסיון לבסס את משפחתם כשליטים היחידים ברומא. במסגרת הסכם זה הוגדר תחום שליטת אנטוניוס במזרח. לחיזוק הברית ביניהם, נשא אנטוניוס לאישה את אוקטביה, אחותו של אוקטביאנוס. הוא שהה באיטליה כשנה, כאשר חזר לאזור שליטתו במזרח יחד עם אשתו שאותה כנראה אהב, הוא העדיף לקבוע את מקום מושבו באתונה ולא באלכסנדריה. בשנת 39 לפנה"ס נולדה בתו אנטוניה, הבת הראשונה מתוך שתי בנות שילדה לו אוקטביה.
המלחמה בפרתים והמפגש השני בין קלאופטרה ואנטוניוס.
אנטוניוס שאף להאדיר את שמו ולבסס את עליונותו כמצביא, על ידי ניצחון מרשים על הפרתים. מרד שפרץ בסיציליה, בהנהגתו של סקסטוס פומפיוס בנו של גנאיוס פומפיוס מגנוס, העסיק את הצבא שהובטח לו לצורך המלחמה, ואנטוניוס נותר בחוסר מעש. סכסוך חדש עם אוקטביאנוס הביא לחתימת ברית חדשה ביניהם בשנת 38 לפנה"ס. הטריאומווירט חודש למשך חמש שנים נוספות עד לשנת 33 לפנה"ס, ואוקטביאנוס הבטיח לשלוח את הלגיונות למזרח לצורך מלחמותיו של אנטוניוס.
בשנת 37 לפנה"ס, כשלוש וחצי שנים לאחר המפגש האחרון ביניהם, הזמין אנטוניוס את קלאופטרה למטה שלו באנטיוכיה, כדי לדון בהיקף הסיוע שמצרים תושיט למסע המלחמה שלו. קלאופטרה הופיעה בסוריה כפי שהתבקשה. במפגש ביניהם היא הצליחה להשפיע עליו עד כדי כך, שהוא העביר אליה נכסים שונים ונחלות שהיו בשליטה של רומא בחילת סוריה, קפריסין, כרתים, יריחו, שטח ליד ים המלח שהיה שייך לממלכה הנבטית וחוף צידון. העברת הנחלות נתנה לקלאופטרה מקורות הכנסה רבים ששימשו אותה, אבל גם סייעה לאנטוניוס מתוך ידיעה שנכסים אלה יועמדו לשירותו בכל עת שיזדקק להם. בעקבות העברת הנחלות האלה, קלאופטרה שלטה על טריטוריה שהייתה כמעט כגודלה של הטריטוריה בשיא גדולתו של בית תלמי, במאה השלישית לפנה"ס. אנטוניוס לא הסכים להעביר אליה את השליטה על ארץ ישראל, על שטח הממלכה שהיה בשליטת הורדוס. בדרכה חזרה מאנטיוכיה למצרים, ביקרה קלאופטרה אצל הורדוס, הם דנו בהעברת האזור ליד יריחו לשליטתה והחכרתו מחדש להורדוס, ששילם לה דמי חכירה ומיסים.
קלאופטרה הפכה שוב למאהבת של אנטוניוס, על פי פלוטרכוס ודיו קסיוס הוא הכיר רשמית בשני הילדים שילדה לו, ולקראת סוף החורף היא הייתה בהריון עם ילדם השלישי.
המסע נגד הפרתים, שהתקיים בקיץ 36 לפנה"ס, לא הצליח. אנטוניוס היה נחוש לצאת למסע מלחמה נוסף בשנה שאחר מכן. אוקטביאנוס ברומא החליט לשלוח לאנטוניוס צבא, ושלח את אוקטביה עם אלפיים חיילים וכסף למזרח. אוקטביה שלחה אליו מאתונה מכתב המודיע על התגבורת. תגובת אנטוניוס הייתה שמוטב שתישאר באתונה. מאז לא ראה יותר את אוקטביה, שהייתה בהריון באותה עת. בינתיים נולד לאנטוניוס וקלאופטרה בן נוסף, תלמי פילדלפוס.
מסע המלחמה השני נגד הפרתים היה מוצלח יותר, ובין השבויים החשובים היו גם מלך ארמניה ובניו. אנטוניוס, שרצה מצעד ניצחון, הבין שבאותה עת, סתיו 34 לפנה"ס, לא יוכל לקבלו ברומא, והחליט לקיימו באלכסנדריה. נערכו שתי חגיגות ניצחון, אחת לאנטוניוס ומספר ימים לאחר מכן לקלאופטרה. בחגיגת הניצחון לאנטוניוס, ישבה קלאופטרה על כיסא מוגבה מזהב שהזדקר מעל ההמונים, וקיבלה מהקהל כיבודי אלים. חגיגת הניצחון של קלאופטרה התקיימה בגימנסיון של אלכסנדריה. במקום הוקמה במה מוגבהת שעוטרה בכסף, על הבמה הונחו שני כיסאות מזהב עליהם ישבו אנטוניוס וקלאופטרה, ולמרגלותיהם ישבו הנסיכים. אנטוניוס הכריז על קלאופטרה שהיא עתה "מלכת המלכים" וקיסריון הוא "מלך המלכים". במעמד זה הוכתרו קלאופטרה וקיסריון כשליטי מצרים, קפריסין ולוב. לאלכסנדר הליוס הובטח השלטון על ארמניה, מדי ושאר ארצות מעבר לנהר פרת. קלאופטרה סלנה הוכתרה לשליטת קירנאיקה וכרתים, ותלמי פילדלפוס הוכתר לשליט פניקיה, סוריה עד נהר פרת וקיליקיה. בנוסף לקחה לעצמה קלאופטרה את הכינוי "ניאה איסיס" שפירושו איזיס החדשה, ודאגה שאנטוניוס יוכר בכינוי "אוזיריס-דיוניסוס".
ייתכן שבמועד חגיגת הניצחון קלאופטרה ואנטוניוס היו נשואים. המקורות בנושא בעייתיים. הנושא מוזכר רק כבדרך אגב על ידי בן־מתתיהו ופלוטרכוס. אין התייחסות לכך אצל דיו קסיוס וגם במקורות המצריים הנושא אינו מופיע. רולר מעלה תהייה לגבי ההיגיון שבנישואים כאלה, שהיו פוגעים במעמדו של אנטוניוס ברומא. אי הבהירות גוברת בעקבות דבריו של אנטוניוס בחגיגת הניצחון שקלאופטרה הייתה נשואה לקיסר. ייתכן שהאזכור נוצר כדי לשמש את התעמולה ברומא כנגד אנטוניוס.
ייתכן שקלאופטרה, ואולי גם אנטוניוס, תכננו לייסד שושלת רומית-תלמאית אשר תשלוט על כל מזרח הים התיכון. כך תהפוך מצרים ממדינת חסות רומית למעצמה מזרחית אדירה השווה בגודלה ועוצמתה לממלכתו של אלכסנדר מוקדון. הזוג אנטוניוס וקלאופטרה חיו חיי מותרות כזוג אלים מלכותיים, בהתאם לכינויים שבחרו לעצמם.
קלאופטרה עשתה מאמצים לשמור על היציבות במצרים. מסיבות מעשיות היא נתנה העדפה לקבוצות האוכלוסייה החשובות יותר, ואלה שהיה בהן פוטנציאל של סכנה לשלטונה. העדפה הייתה גם לתושבי אלכסנדריה על פני התושבים בשאר חלקי הארץ. היא המשיכה במסורת של בניית מקדשים כמו מקדש דנדרה, שבנייתו החלה בתקופת אביה. כדי לשמור את תמיכת כוהני כתות הפולחנים השונים, המשיכה לתמוך בתחזוקתם. אין כל התייחסות במקורות האם דאגה גם לשיפור מצבם של פשוטי העם.
בתקופה זו חל שיפור במצב מערכת תעלות המים, שהוזנחו מאוד בעבר בגלל המצב הפוליטי. חל שיפור בתנובה, אבל היא עדיין לא הגיעה לרמה שבה הייתה בשנות היציבות המדינית במצרים. מקורות הכנסה נוספים היו הטריטוריות החדשות שניתנו לקלאופטרה על ידי אנטוניוס. העצים שהגיעו מקיליקיה שימשו לבניית הספינות ולבנייה כללית. בנוסף היא דאגה לפתח את הסחר מנמלי הים האדום עם האזורים בחצי האי ערב, וגם מעבר לו לאזור הודו וסרי לנקה של היום. היא ייבאה למצרים מיריחו את עצי בושם האפרסמון, כדי שהאספקה תהיה מהירה יותר. היא הפכה לאישה עשירה, מקורות ההכנסה, שלה שבאו בחלקם הגדול ממסים, שימשו אותה כדי לתגמל אנשים חשובים במצרים וברומא, לתחזק חצר מלכות מפוארת ברמה גבוהה מאוד, ולממן את כל צרכיו של אנטוניוס, ששימש מגינה, וכך להחזיקו מרוצה ומסופק.
המלחמה האחרונה של הרפובליקה הרומית.
ברומא החל הטריומווירט להתפרק. לפידוס גורש ממנו בשנת 36 לפנה"ס, והרפובליקה הרומית הגדולה נשארה בשליטתם של שני אנשים שאפתניים ביותר - אנטוניוס ואוקטביאנוס. לשניהם היה עבר רצוף בקונפליקטים וכתוצאה מכך הם תיעבו זה את זה. אוקטביאנוס הפעיל את כל משאביו בסנאט הרומי כנגד אנטוניוס, וכן טיפח את שנאת הזר והשנאה המגדרית נגד "הפילגש המצרית". במכתביו אל הסנאט ובנאומיו לפני העם, הכריז אוקטביאנוס כי קלאופטרה היא מכשפה שכישפה את אנטוניוס והפכה אותו מגיבור רומאי למצרי שטוף זימה החי במצרים, ששכח את רומא מולדתו. הוא השתמש גם בחלוקת הטריטוריות לקלאופטרה כעילה למאבק נגדו. גם התנהגות אנטוניוס כלפי אוקטביה אשתו, היוותה עילה להתלהטות הרוחות, למרות התנגדות אוקטביה לשימוש בשמה במסגרת המאבק.
קלאופטרה התכוננה מבעוד מועד למלחמה. היא הכינה צי של 200 אוניות, ובסתיו של שנת 33 לפנה"ס הפליגה בראש הצי לאפסוס. היא לקחה עימה אוצר של 20,000 טאלנטים כדי לשכור חיילים רבים, מצריים ובני עמים אחרים. הפלגת הספינות והופעת חיילי אנטוניוס באסיה הקטנה היוו עילה נוספת בידי אוקטביאנוס לצאת בתעמולה נגד אנטוניוס ולהגביר את גיוס כוחותיו. קלאופטרה הצטרפה למטה הצבאי של אנטוניוס ונטלה חלק בקבלת רוב ההחלטות המבצעיות, דבר שגרם לביקורת רבה מצד החיילים הרומיים של אנטוניוס ובמחנה אוקטביאנוס.
רומא שוב שקעה במלחמת אזרחים. חלק מהסנאטורים וממנהיגי רומי ברחו למצרים וחברו לאנטוניוס. אנטוניוס עצמו, בשכנועה של קלאופטרה, התגרש בשנת 32 לפנה"ס מאשתו אוקטביה וניתק את קשריו עם אוקטביאנוס ועם רומא. האצילים והסנאטורים שנשארו ברומא, תחת שלטון אוקטביאנוס, הצליחו להעביר בשנת 32 לפנה"ס, החלטה על מלחמה נגד מצרים, קלאופטרה ואנטוניוס. אוקטביאנוס וכוחותיו היו בתהליך התארגנות ואילו אנטוניוס דחה את העימות הצבאי ולא השכיל לנצל את המצב לעימות מיידי כשכוחותיו כבר היו ערוכים ומצבו האסטרטגי היה טוב יותר מזה של אוקטביאנוס.
אוקטביאנוס ניצל את הזמן וארגן את כוחותיו. הוא הביא את צבאו לחצי האי אקטיום ביוון ואת ציו למפרץ הסמוך. גם צבאם וציים של אנטוניוס וקלאופטרה הגיעו למקום אבל לא במהירות מספקת, וכשהגיעו גילו שהצי שלהם נחסם. מייד לאחר הגיעם, ב-2 בספטמבר 31 לפנה"ס, החלו הקרבות. הצי הרומאי חסם את דרכי האספקה של הצבא המצרי וכוחות השדה המנוסים של אוקטביאנוס הנחילו מפלות קשות לצבא אנטוניוס. גרוע מכך, חלק גדול מהחיילים הרומיים בצבא אנטוניוס ערקו ועברו לצד אוקטביאנוס. קלאופטרה שפיקדה על הצי המצרי, לא עמדה במתח, והצליחה לחמוק בראש צי של ששים אוניות חזרה למצרים, דבר שסתם את הגולל על סיכויו של אנטוניוס לנצח בקרב, צבאו של אנטוניוס הובס וציו הוטבע ברובו או נלקח לשבי.