Tokom prodora mnogobrojnih varvarskih naroda na Balkansko poluostrvo u periodu od 4. do 7. veka, Singidunum je bio jedna od najznačajnijih tačaka na granici Vizantijskog carstva prema Srednjoj Evropi. Kao i mnoga okolna dunavska utvrđenja, Singidunum je trebalo da Varvarima zatvori vrata Balkana i onemogući njihov dalji prodor u unutrašnjost Vizantije.

Zbog svog geografskog položaja i strateškog značaja, ovaj grad se našao na putu mnogim varvarskim narodima koji su pokušavali, a neretko i uspevali da ga osvoje ili čak unište.

Najezda Huna

Predvođeni legendarnim Atilom, Huni su 441. godine prodrli na Balkan i razorili sve što im se našlo na putu. Pod stravičnim naletom vojske Biča Božijeg pali su Sirmium, Viminacium, Margum, Naissus, ali i Singidunum.

Međutim, hunska imperija se raspala ubrzo nakon Atiline smrti, pa njihovu teritoriju zauzimaju mnoga drugi varvarski narodi.

U drugoj polovini 5. veka, na području Singidunuma borave Ostrogoti i Gepidi. Prema pojedinim izvorima, Singidunumom su kratko vreme vladali i Sarmati, koji su grad zauzeli pobedivši vizantijskog vojskovođu Kamunda. O prisustvu Sarmata na ovim prostorima svedoči i jedan sarmatski sud pronađen na teritoriji Beograda.

Značajni arheološki nalazi podsećaju i na ostrogotsku vladavinu Singidunumom. Naime, 471. godine, ovo pleme predvođeno svojim vladarom Teodorikom osvaja grad. Međutim, ni ostrogotska vladavina Singidunumom nije potrajala dugo. Zazirući od Teodorika kao potencijalnog neprijatelja, vizantijski car Zenon imenuje ga za konzula 484. goidine, a svega četiri godine kasnije i za kralja. Kao svog mandatara, Zenon je poslao Teodorika u Italiju da preuzme vlast od Odoakara, koji je 476. srušio Zapadno rimsko Carstvo. Teodorik je to i učinio i u Italiji osnovao gotsko kraljevstvo. Budući da su se Ostrogoti preselili na Apeninsko poluostrvo, Singidunum se formalno ponovo našao u vizantijskim rukama, ali je bio zapušten i porušen.

Vladavina Germana

Početkom 6. veka, jedno drugo germansko pleme prelazi Dunav i naseljava okolinu Singidunuma. Bili su to Heruli, kojima je car Anastasije dozvolio da se tu nastane kako bi branili Singidunum od ratobornih Gepida, takođe germanskog plemena čija je država u Sremu ubrzano jačala. Tako su u prvoj polovini 6. veka širom teritorijom Singidunuma zagospodarili Germani. Na zapadnoj strani Donjeg grada, pronađeni su materijalni tragovi germanske kulture.

Budući da je bio meta naletima mnogih zavojevača, Singidunum je tokom godina pretrpeo velika razaranja. Prema svedočenju dvorskog istoriografa Prokopija, razrušeni Singidunum 535. godine ponovo je izgradio i bedemima opasao car Justinijan I, tako da je on postao „velike hvale dostojan grad“. Tada je, na osmom miljokazu od Singidunuma, podignut i Castrum ad octavum, čiji su ostaci pronađeni na području današnje Višnjice.

U drugoj polovini 6. veka došlo je do značajnih etničkih promena u okolini Singidunuma. Nestanak Herula, kao i propast gepidske države 567. godine koja je stradala pod udruženim snagama Avara i Langobarda, bili su važni događaji koji su pripremali teren novom osvajaču.

Granca na Dunavu

Vizantija je privremeno iskoristila međusobne borbe varvara i povratila dunavsku granicu, ali novu veliku opasnost predstavljali su Avari i nadolazeći Sloveni.

Nakon što je nešto ranije, uz slovensku podršku, osvojio Sirmium i time značajno ugrozio unutrašnju liniju odbrane Vizantije, avarski kagan Bajan 584. godine osvaja i Singidunum.

Devet godina kasnija, Singidunum se ponovo našao u vizantijskim rukama, nakon što je Car Mavrikije krenuo u ofanzivu na Avare i Slovene. Kagan nije želeo da se odrekne važnog utvrđenja, te ga je iznova opsedao i tek nakon tri godine ponovo osvojio. Pošto je najzad razorio bedeme grada, kagan je nameravao da raseli lokalno stanovništvo koje je tako dugo uspešno odolevalo njegovim naletima. Sa druge strane i Vizantija se grčevito borila da sačuva svoju dunavsku granicu.

U pomoć Singidunumu Mavrikije šalje rečnu flotu i istaknutog vojskovođu Priska, koji je uspeo da primora Avare i Slovene da se povuku. Singidunum ostaje pod vlašću Vizantije i ubrzo ponovo biva obnovljen.

Međutim, nakon Mavrikijeve desetogodišnje uspešne borbe sa varvarima na Dunavu, u Vizantiji dolazi do prevrata. Nakon što je dobila naređenje da prezimi na levoj obali Dunava koju su kontrolisali Avari i Sloveni, vizantijska vojska se pobunila protiv Mavrikija koji je ubrzo i ubijen. Koristeći te okolnosti, Sloveni naviru i preplavljuju ne samo okolinu Singidunuma, već i čitavo Balkansko poluostrvo. Već tokom prve decenije vladavine cara Iraklija, tačnije 614. godine osvojena je Salona, a nedugo zatim pali su i drugi važni gradovi.

Tom prilikom, pod slovensku vlast pao je i grad čije se antičko ime u istorijskim izvorima 630. godine pominje poslednji put – Singidunum.