Na oko 600 godina p. n. e. ovim prostorom su prošla tračko-kimerska i skitska plemena, a u III veku p.n.e. Kelti. Za prisustvo keltskog plemena Skordisci vezuje se nastanak Singidunuma (Beograda), koji se, kao utvđeno naselje, prvi put pominje 279. godine p.n.e. Prvi deo reči Singi označava okrugli, a dunum utvrđenje ili grad. Moguće je da naziv potiče od imena tračkog plemena Singa, zatečenom, u vreme dolaska Kelta. Nema gotovo nikakvih tragova o tom keltskom gradu, osim što su na lokalitetima Karaburme i Rospi ćuprije pronađene nekropole sa umetnički vrednim predmetima, koje su pripadale ratnicima plemena Skordisci. Znatni keltski kulturni uticaji utkani su u duhovnu kulturu stanovništva Singidunuma, koji su delom preneti i pomešani sa rimskim antičkim kulturnim elementima.

Rimljani su Beogradom ovladali početkom I veka nove ere i pod njihovom vlašću bio je čitava četiri veka. Vojnici mezijskih legija, čine prvu rimsku vojnu posadu u Singidunumu. Iz tog perioda potiču grobovi u obliku bunara pronađeni na Trgu republike i drugim mestima u gradu. Pored Singidunuma u sastavu rimske imperije bio je i Taurunum, današnji Zemun. Oba grada postaju značajna vojna uporišta na utvrđenoj rimskoj granici - "limesu".

Najveći procvat Singidunum doživljava 86. godine, dolaskom Legije IV Flavija. Tada je izgrađeno prvo utvrđenje od kamena na Gornjem gradu, čiji se fragmenti i danas mogu zapaziti. Taj je kastrum bio kvadratnog oblika i obuhvatao je prostor današnjeg Gornjeg grada na Kalemegdanu. Izgled Taurunuma (Zemuna) iz tog vremena je manje poznat i on se verovatno nalazio na mestu današnjeg Donjeg grada. Kao značajniji rimski vojni logor Singidunum je stekao gradska prava u II veku n. e. za vreme cara Hadrijana. Njegov vojnički značaj je porastao još više u III veku, kada je car Aurelije napustio Dakiju a Gornja Mezija dobila nove granice duž desne obale Dunava. Tada je Singidunum središte hrišćanske episkopije. U njemu je nešto kasnije rođen rimski car Jovian Flavie Klaudije.

Uz vojni logor, Rimljani su naseljavali veterane svojih legija kako bi još više obezbedili svoju granicu. Tako je vremenom tu nastalo dosta veliko naselje koje je imalo pravolinijsku osnovu, sa ulicama koje se seku pod pravim uglom. Neke osnove ovakvih urbanih elemenata sačuvane su i danas, što se vidi po položaju ulica Uzun Mirkove, Dušanove i Kralja Petra I. Takav pravougaoni oblik sačuvao je i Studentski trg (nekadašnji rimski forum sa termama otkriven pre tridesetak godina).

Između Singidunuma i Taurunuma, preko Save, postojao je most koji je spajao ova dva grada i kojim je išao jedan od najznačajnijih rimskih puteva. Tako je Singidunum postao značajna drumska raskrsnica za rimske provincije Meziju, Dakiju, Panoniju i Dalmaciju. Vojni put - Via militaris, koji je išao sa zapada na istok, preko Sirmiuma (Sremska Mitrovica), Singidunuma i Viminacijuma (Kostolac), do Vizanta, bio je zaštićen utvrđenjima. Takvih utvrđenja bilo je i na današnjoj teritoriji Beograda, kao što su bila: Mutatio ad Sehtum (Mali Mokri Lug), Castra Tricornia (Ritopek), Mutatio ad Sehtum Militare (Grocka) i druga. Značajan je bio i put koji je spajao tadašnja rudarska naselja na Avali, Kosmaju i Rudniku. Značajnije tragove materijalne kulture (grobnice, spomenici, skulpture, keramika, novac) nađeni su u mnogim selima beogradske okoline.

Podelom rimskog carstva na Istočno i Zapadno 395. godine, tadašnji Singidunum postaje granični grad u sastavu Vizantije. Taj novi položaj grada odredio je njegovu dalju sudbinu, jer on postaje ne samo spona različitih kulturnih uticaja, već pre svega saobraćajni i strategijski ključ Vizantijskog carstva.