Etwa um Christi Geburt legten die Römer auf dem heutigen Stadtgebiet eine planmäßige Siedlung, mindestens seit dem Mittelalter Aquae Granni genannt, an. Sie nutzten die heißen, schwefelhaltigen Quellen und bauten die Ansiedlung gezielt zu einem Heilbad mit mehreren Thermalanlagen aus. Die erste Anlage wurde von der VI. Legion zu Beginn des 1. Jahrhunderts am Büchel errichtet, gegen Ende des Jahrhunderts kamen die Münstertherme sowie zwei Wasserleitungen und möglicherweise ein Heiligtum des Gottes Grannus hinzu. Ein forumartiger, von Säulenhallen umgebener Platz verband die beiden Thermenkomplexe. Eine umfangreiche Wohnbebauung und ein Handwerkerviertel existierten ebenfalls. Auch im nahen Burtscheid wurden von den Römern Thermen errichtet. Nahe dem heutigen Kornelimünster entstand ein Tempelbezirk, von den Römern Varnenum genannt.

Zwischen Ende des 4. bis Anfang des 5. Jahrhunderts brach die römische Verwaltung in Aachen zusammen. Rom zog seine Truppen aus der Gegend ab, Aachen blieb jedoch besiedelt. Im Zuge der Völkerwanderung kamen auch Franken in den Aachener Raum.