Seit Pippin erlangte Rom, das im Mittelalter nur noch etwa 20.000 Einwohner zählte, neue Bedeutung als Hauptstadt des Kirchenstaates (Patrimonium Petri) und als wichtigster Wallfahrtsort des Christentums neben Jerusalem und Santiago de Compostela. Neuer Glanz kam im Jahr 800 in die Stadt, als Karl der Große durch Papst Leo III. zum Kaiser des Heiligen Römischen Reiches gekrönt wurde. Zwischen 843 und 849 scheiterten drei Eroberungsversuche durch muslimische Araber, die Stadthälfte auf dem rechten Tiberufer aber wurde 846 geplündert.
Das von der katholischen Kirche direkt in Rom vermutete Grab des nach dem Brand Roms unter Nero im Jahre 64 hingerichteten Apostels Paulus sowie unzählige andere Reliquien verhießen ab 1300 in den Heiligen Jahren den Pilgern außergewöhnliche Gnaden und Ablässe. Hierzu trug im Besonderen die Vermutung bei, dass Simon Petrus gemeinsam mit Paulus hingerichtet und in Rom begraben worden sein soll. Diese Annahme ist bis heute unter Historikern äußerst umstritten. Die Pilger stellten zugleich das wirtschaftliche Standbein der Kommune dar, die sich seit dem 12. Jahrhundert um die Eigenverwaltung bemühte. Ein erstes Aufleben der Kommune im Streit mit dem Papsttum unter Beteiligung des Kirchenreformers Arnold von Brescia wurde mit der Kaiserkrönung Friedrich Barbarossas 1155 gewaltsam unterbrochen. Das Aufblühen Roms in der Renaissance wurde 1527 durch das Sacco di Roma („Plünderung Roms“) unterbrochen, als die Söldnertruppen Karls V. Rom plünderten und verwüsteten.
In christlicher Zeit sind viele bedeutende Bauten entstanden, zum Beispiel die so genannten vier Patriarchalbasiliken Sankt Paul vor den Mauern über dem Grab des heiligen Apostels Paulus aus dem 4. Jahrhundert, der Lateran, ebenfalls aus dem 4. Jahrhundert, von Francesco Borromini barockisiert, Santa Maria Maggiore aus dem 5. Jahrhundert und vor allem der Petersdom, der in der heutigen Form aus der Renaissance und dem Barock stammt.
In der Renaissance und im Barock fand die Stadt ein neues Gepräge, das hauptsächlich von Kirchen bestimmt wird, aber auch von neuen Straßenzügen mit Sichtachsen auf Obelisken, Palästen und Plätzen mit Brunnen. In diesem Zustand ist Rom bis heute verblieben, weshalb die römische Altstadt neben dem Vatikan eines der beiden Weltkulturerbe in der Stadt Rom darstellt.