Lutetia Parisiorum era la capital de los parisii, una tribu de la antigua Galia. Los parisii eran una tribu del Sena Medio, y Lutetia ("lugar cerca de un pantano") era uno de sus principales asentamientos. Se encontraba en la orilla sur del río. En el año 53 a.C., el general romano Julio César utilizó Lutecia, que probablemente había sido fundada a mediados del siglo III a.C., como lugar del consejo de todas las tribus galas (Guerra de las Galias, 6.3). Al año siguiente, la ciudad apoyó la rebelión de Vercingetórix (Guerra de las Galias, 7.4), y César envió a su coronel Tito Labieno con cuatro legiones (entre ellas la VII y la XII) para mantener el control de Lutecia (Guerra de las Galias, 7.57). César escribe que los galos ordenaron incendiar la ciudad, pero no menciona que esto ocurriera realmente. Aunque Labieno derrotó a sus oponentes en la batalla, se vio obligado a regresar al sur, donde César se enfrentaba a grandes problemas. La rendición de la ciudad (si es que quedó algo tras el incendio) no se menciona en nuestras fuentes, pero es probable que tuviera lugar en el año 51 a.C., tras la caída de Alesia.
Lutecia era en realidad un asentamiento doble. La parte principal era, originalmente, una aldea en la isla que ahora se llama Isla de la Cité. El geógrafo griego Estrabón, durante el reinado de Augusto escribió que "los parisii viven alrededor del Sena y tienen una ciudad llamada Lucotocia (Λουκοτοκία) en una isla del río" (Geografía, 4.3.5). El otro asentamiento era un castro en la Montaña Santa Genoveva. La doble ciudad, donde una carretera principal del sur al norte cruzaba el río, era lo suficientemente rica como para acuñar monedas de oro.
Los romanos reorganizaron la ciudad en su habitual mapa cuadriculado. Consistía en lo que ahora es más o menos el Barrio Latino. Las dos vías principales que conducen desde Orleans, en el sur, hacia el norte, el bulevar Saint-Michel y la calle Saint-Jacques, tienen antiguos predecesores; esta última continuaba en la orilla norte del Sena, donde ahora se llama calle Saint-Martin. Conectaba Lutecia con Senlis. De las vías este-oeste, la Rue des Écoles y su paralela sur, la Rue Cujas/Rue Clovis, son antiguas. En la parte oriental de la ciudad, la calle que hoy se llama Mouffetard conducía a Melun. La ciudad se expandió rápidamente. Plinio el viejo menciona a los parisii en su lista de ciudades notables de la Galia (Historia Natural, 4.107).
Se han identificado no menos de tres termas, lo que demuestra que Lutecia era bastante grande: una en el recinto del Colegio de Francia, otra en la calle Gay-Lussac, y una de las salas del moderno Museo de Cluny es el frigidarium de una tercera terma. Se construyó en el siglo III. Lutecia floreció durante el Imperio galo (260-274) y fue saqueada cuando el emperador Aureliano reconquistó este nuevo estado y se llevó las tropas de la frontera del Rin: los guerreros de las tribus germánicas saquearon Tréveris, Metz, Reims y Lutecia. Al fin y al cabo, Lutecia era una próspera ciudad sin murallas, que casi pedía ser saqueada. Como ya era evidente que la ciudad necesitaba defensas, se fortificaron el foro del sur y la isla. Las piedras necesarias se tomaron del anfiteatro/teatro.
A mediados del siglo III, la ciudad contaba con una comunidad cristiana. No sabemos mucho sobre ellos, pero su presencia es lógica, ya que se sabe que uno de ellos fue martirizado: San Dionisio (Saint-Denis), que fue decapitado durante el reinado de Valeriano. El Pilier des nautes (Pilar de los barqueros) se encontró bajo el altar de la catedral de Notre-Dame, lo que sugiere que hubo una continuidad cultual en la isla. El acontecimiento más famoso que tuvo lugar en Lutecia en la Antigüedad puede datarse en el año 360, cuando Juliano, cónsul y césar del emperador Constancio II, fue proclamado emperador en un palacio (Ammian, Historia Romana, 20.4-5). Este edificio no ha sido identificado, aunque en la Edad Media se creía que era idéntico a una de las termas, que en el siglo XV se convertiría en el palacio de los abades de Cluny.
La Lutecia de la Antigüedad tardía quedará asociada para siempre al heroísmo de Genovefa, más conocida como Santa Genoveva (c. 420-502). La fuente principal de los hechos es una hagiografía, pero parece más o menos cierto que fue nombrada diaconisa por el obispo Germano e impresionó al pueblo con su piedad, viviendo como monja. En el año 451, cuando los hunos, liderados por el rey Atila, estaban a punto de atacar Lutecia, convenció a los habitantes de Lutecia para que no huyeran. Al parecer, sus oraciones bastaron para salvar la ciudad; en cambio, Atila atacó Cenabum (Orleans). También se la asocia con el hecho de haber llevado alimentos a Lutecia en el año 464, cuando el rey franco Childerico estaba asediando Lutecia. Durante este mismo asedio, Genoveva se dirigió al líder enemigo y lo convenció de que cuidara mejor a sus prisioneros de guerra. El asedio no condujo a nada, y la ciudad siguió formando parte del reino controlado por Siagrio, el último gobernador romano de esta parte de la Galia. En el año 486, estos territorios fueron tomados por el hijo de Childerico, Clodove, a quien Genoveva también visitó. Este le concedió el derecho de construir un monasterio. Tras su muerte, fue reconocida como patrona de su ciudad.
