Elle apparaît, ainsi nommée, entre le IIème et le Ier siècle av. J.-C., après le peuplement celte. Elle est occupée par la tribu des Parisii, dans un but défensif, mais aussi économique, car ce peuple commerce dans toute la Gaule et frappe une très belle monnaie d'or. Il occupe l'île principale, reliée aux rives par des ponts de bois. Dans les clairières ouvertes par leurs prédécesseurs, s'édifient de petits villages. À la culture de l'orge, indispensable pour la cervoise, s'ajoute celle de la vigne, sur le flanc des collines. La pierre commence à être utilisée pour la base des constructions, et les premiers puits sont creusés. Au nord, la nappe est accessible à moins de deux mètres, alors que, sur le rive sud, il faut creuser plus profond.
Lutèce va demeurer gauloise jusqu'à la défaite du chef normand Camulogène, rallié à Vercingétorix, face aux légions de Labienus, lieutenant de César, en 52 av. J.-C.
Les Gaulois, ayant incendié leur oppidum et les ponts, laissent carte blanche à l'administration romaine pour reconstruire. Celle-ci, séduite par les qualités du site, et peut-être par son analogie avec Rome (un fleuve, sept collines), va édifier une ville selon la conception romaine de l'urbs : forum, basilique, temples, théâtre et amphithéâtre, thermes. Évitant la rive droite, marécageuse et inondable, les Romains bâtissent sur l'île et la rive sud, de part et d'autre d'un axe nord-sud : le cardo (rue Saint-Jacques). On peut mesurer l'importance de la Lutèce gallo-romaine au fait qu'elle dispose de trois établissements de bain, dont les plus vastes sont ceux du nord, dits aujourd'hui thermes de Cluny, et, improprement, thermes de Julien. Ce qu'il en reste affirme leur caractère imposant ; le frigidarium (bain froid) occupe une salle de 230 m2, dont les voûtes culminent à 17 mètres. Ces voûtes en berceau retombent sur des consoles sculptées en forme de proues, décorées de tritons et de rames. Sur un des côtés, une sirène symbolise l'eau. Cette décoration laisse supposer que la puissante corporation des Nautes (bateliers) ne fut pas étrangère à la construction de ces thermes publics. La présence de trois établissements nécessitant un apport d'eau quotidien, les Romains utilisèrent leur savoir faire pour capter les eaux de source du plateau de Rungis (à Wissous), peu calcaires, et les conduire par déclivité via un aqueduc de 16 kilomètres, dont un embranchement alimentait quelques villas particulières, au moyen de conduites en plomb. Le débit de l'aqueduc fut estimé à 2 000 m3 par jour. Également experts en excavations, les Romains creusèrent plusieurs puits ; l'un d'eux, destiné aux thermes de la colline Sainte-Geneviève, atteignait 25 mètres de profondeur. Ces équipements étaient complétés d'un réseau d'égout, dont on ignore le tracé mais dont une section subsiste dans les grands thermes.
C'est à partir de 253 (ap. J.-C.) que la pression des troupes barbares fait brèche dans les trop vastes frontières de l'empire romain. La déferlante atteint Lutèce. L'archéologie du sous-sol garde en mémoire de nombreuses traces d'incendies, et les hasards des fouilles ou de travaux mettent à jour des trésors dissimulés par les habitants. Une première enceinte, limitée à l'île de la Cité, est mise en construction vers 308. Plusieurs édifices seront détruits, dont l'aqueduc, déjà hors service lorsque Julien l'Apostat, après ses victoires sur les Alamans, est nommé empereur par ses soldats, dans sa "chère Lutèce". Julien avait une tendresse particulière pour la ville, tantôt nommée Lutétia, tantôt Parisiis. On lui doit le premier texte descriptif, une lettre où il écrit : "Rarement la rivière croît ou diminue ; telle elle est en été, telle elle demeure en hiver ; on en boit volontiers l'eau très pure et très agréable à la vue". Dernière note sur la cité gallo-romaine.