Lutetia Parisiorum (Lutèce) était la capitale des Parisii, une tribu de la Gaule antique. Les Parisii étaient une tribu de la Seine moyenne, et Lutèce ("lieu près d'un marécage") était l'un de leurs principaux établissements. Elle se trouvait sur la rive sud du fleuve. En 53 av. JC, le général romain Jules César utilisa Lutèce, qui avait probablement été fondée au milieu du troisième siècle av. JC, comme lieu du conseil de toutes les tribus gauloises (Guerre des Gaules, 6.3). L'année suivante, la ville soutint la rébellion de Vercingétorix (Guerre des Gaules, 7.4), et César y envoya son colonel Titus Labienus avec quatre légions - dont les légions VIIe et XIIe - pour garder le contrôle de Lutèce (Guerre des Gaules, 7.57). César écrivit que les Gaulois ordonnèrent de mettre le feu à la ville, mais ne mentionna pas que cela se produisit réellement. Bien que Labienus ait vaincu ses adversaires dans la bataille, il fut contraint de retourner dans le sud, où César était confronté à de grands problèmes. La reddition de la ville - s'il restait quelque chose après l'incendie - n'est pas mentionnée dans nos sources, mais elle eut probablement lieu en 51 av. JC, après la chute d'Alésia.
Lutèce était en fait une double colonie. La partie principale était, à l'origine, un village situé sur l'île qui s'appelle aujourd'hui l'Île de la Cité. Écrivant pendant le règne d'Auguste, le géographe grec Strabon dit que "les Parisii vivent autour de la Seine, ayant une ville, appelée Lucotocia (Λουκοτοκία), sur une île dans la rivière" (Géographie, 4.3.5). L'autre établissement était un fort de colline sur la Montagne Sainte-Geneviève. La ville double, où une route principale allant du sud au nord traversait le fleuve, était suffisamment riche pour frapper des pièces d'or.
Les Romains réorganisèrent le plan de la ville sur la base quadrillée habituelle. Elle se composait de ce qui est aujourd'hui plus ou moins le Quartier Latin. Les deux grandes voies qui mènent d'Orléans au sud au nord, le boulevard Saint-Michel et la rue Saint-Jacques, ont des antécédents antiques; cette dernière se prolongeait sur la rive nord de la Seine, où elle s'appelle aujourd'hui rue Saint-Martin. Elle reliait Lutèce à Senlis. Parmi les voies est-ouest, la rue des Écoles et son parallèle sud, la rue Cujas/Rue Clovis, sont anciennes. Dans la partie orientale de la ville, l'actuelle rue Mouffetard menait à Melun. La ville s'étendit rapidement. Pline l'Ancien mentionne les Parisii dans sa liste des villes remarquables de Gaule (Histoire naturelle, 4.107).
Pas moins de trois thermes ont été identifiés, ce qui prouve que Lutèce était assez grande: un sur le terrain du Collège de France, un autre rue Gay-Lussac; une des salles de l'actuel musée de Cluny est le frigidarium d'un troisième thermes. Il fut construit au troisième siècle. Lutèce, encore florissante sous l'Empire gaulois (260-274 après JC), fut mise à sac lorsque l'empereur Aurélien reconquit ce nouvel État et enleva ses troupes de la frontière rhénane: les guerriers des tribus germaniques pillèrent Trèves, Metz, Reims et Lutèce. Après tout, Lutèce était une ville prospère sans murs, qui demandait presque à être pillée. Comme il était désormais évident que la ville avait besoin de défenses, le forum au sud et l'île furent fortifiés. Les pierres nécessaires furent prélevées de l'amphithéâtre/théâtre.
Au milieu du troisième siècle, la ville comptait une communauté chrétienne. Nous ne savons pas grand-chose sur eux, mais leur présence est logique, car l'un d'entre eux est connu pour avoir été martyrisé: Dionysius (Saint-Denis), qui fut décapité sous le règne de Valérien. Le Pilier des Nautes fut retrouvé sous l'autel de la cathédrale Notre-Dame, ce qui laisse penser qu'il y avait une continuité cultuelle sur l'île. L'événement le plus célèbre survenu à Lutèce dans l'Antiquité peut être daté de 360, lorsque Julien, consul et césar de l'empereur Constance II, fut proclamé empereur dans un palais (Ammien Marcellin, Histoire romaine, 20.4-5). Ce bâtiment ne put être identifié, bien qu'au Moyen Âge, on ait cru qu'il était identique à l'un des thermes, qui deviendra au XVe siècle le palais des abbés de Cluny.
La Lutèce de l'Antiquité tardive sera à jamais associée à l'héroïsme de Genovefa, plus connue sous le nom de sainte Geneviève (c. 420-502). La principale source des événements est une hagiographie, mais il semble plus ou moins certain qu'elle fut nommée diaconesse par l'évêque Germanus et qu'elle impressionna le peuple par sa piété, vivant comme une nonne. En 451, alors que les Huns, menés par le roi Attila, étaient sur le point d'attaquer Lutèce, elle convainquit les habitants de Lutèce de ne pas fuir. Ses prières auraient suffi à sauver la ville. Au lieu de cela, Attila attaqua Cenabum (Orléans). Elle est également associée à l'apport de nourriture à Lutèce en 464, lorsque le roi franc Childéric assiégeait Lutèce. Au cours de ce même siège, Geneviève se rendit auprès du chef ennemi et le convainquit de mieux s'occuper de ses prisonniers de guerre. Le siège n'aboutit à rien et la ville restera dans le royaume contrôlé par Syagrius, le dernier gouverneur romain de cette partie de la Gaule. En 486, ces territoires furent saisis par Clovis, le fils de Childéric, à qui Geneviève rendit également visite. Il lui accorda le droit de construire un monastère. Après sa mort, elle fut reconnue comme la sainte patronne de sa ville.
