Nel Quattrocento la struttura di Roma si trasformò radicalmente. La cultura umanistica uscì dalla ristretta cerchia di artisti e letterati: attraverso l'architettura, le opere d'arte e le nuove idee della "città ideale", l'umanesimo finì per conquistare gli stessi ambienti ecclesiastici sino ai papi. Infatti, il rinnovamento di Roma trasse impulso dai pontefici che chiamarono grandi artisti come Leon Battista Alberti, Michelangelo, Raffaello, Bramante, Cellini e altri per costruire e decorare chiese e palazzi, ridisegnando la città che doveva tornare a essere la più imponente del mondo.
Nicolò V, a metà del secolo, avviò un vasto programma di revisione urbanistica in base al quale fece demolire la vecchia basilica petriana e affidò al Rossellino il compito di costruirne una nuova. Leon Battista Alberti iniziò la costruzione dei Palazzi Vaticani, furono quindi ristrutturati i borghi e si edificò il nuovo Palazzo dei Conservatori sulla piazza capitolina
Molti restauri e iniziative edilizie vennero intraprese in occasione dell'anno santo del 1450, quando venne creato un nuovo tessuto viario, non più in funzione dei vecchi centri di rappresentanza ( Fori, Campidoglio, Laterano), ma del Vaticano. In occasione di quello successivo del 1475, Sisto V (1471-84) intervenne tanto sulle infrastrutture viarie (un esempio è Ponte Sisto, il primo costruito a Roma dopo l'antichità), quanto sulla definizione delle aree di centri rappresentativi e commerciali come Piazza Navona e Campo dei Fiori.
Negli ultimi decenni del Quattrocento, a partire dal Palazzo della Cancelleria, si assistette alla costruzione dei primi grandi palazzi rinascimentali.
Il Cinquecento si aprì con il papato di Giulio II (1503-13), il quale avviò la ricostruzione di S. Pietro, l'apertura di nuovi assi stradali lungo il Tevere, via Giulia e via della Lungara e affidò a Michelangelo il compito di affrescare la Cappella Sistina.
Ma la prima metà del Cinquecento romano è dominata dalla figura di Alessandro Farnese, poi Paolo III (1534-1549): egli, già da cardinale, immaginava una città prettamente monumentale, in linea con la costruzione dei primi palazzi rinascimentali (Palazzo Venezia e Palazzo della Cancelleria). Edificò , al centro del rione Arenula, Palazzo Farnese che divenne un modello per le successive costruzioni, infatti, fino al tardo Rinascimento, le vecchie case vennero abbattute per far posto a imponenti palazzi ( Massimo, Chigi, Spada, Colonna, Borghese e altri). Da pontefice incise profondamente nel tessuto urbano, promuovendo l'apertura di via Trinitatis (Condotti), la riappropriazione ecclesiastica dell'area archeologica e del Campidoglio, la cui trasformazione fu affidata a Michelangelo, la sistemazione sul Palatino di una grande villa (orti farnesiani). Già l'entrata di Carlo V (1535) aveva fornito il pretesto per ripensare la funzione dell'intera area archeologica collegando, con viali rettilinei alberati, gli archi trionfali di Costantino, Tito e Settimio Severo, allo scopo di ripristinare l'antico percorso trionfale tra l'Appia Antica e l'area capitolina.
I successori proseguirono l'opera di estensione delle zone di insediamento demografico, infatti con Pio V si ebbe l'urbanizzazione della zona dei Pantani (un quartiere interamente distrutto in periodo fascista con l'apertura di via dell'Impero); sui Colli del Pincio, del Viminale, del Quirinale, dell' Esquilino, dove esistevano vaste zone adibite ad orti e vigne, circondate da grandi parchi, sorsero sontuose ville nobiliari (Borghese, Medici, Torlonia, Massimo, solo per citarne alcune); tra queste aree verdi Gregorio XIII fece costruire il Palazzo del Quirinale, residenza estiva dei papi. Negli ultimi anni del Cinquecento si aprirono nuove vie come via Merulana, per unire S. Maria Maggiore a S. Giovanni, ma anche via Gregoriana, via Sistina, via Panisperna; nelle piazze (S. Pietro, S. Giovanni, del Popolo, Esquilino) furono collocati antichi obelischi, quasi a recuperare la funzione unificante e redentrice di Roma cristiana. Infine, l'ossatura della città rinascimentale fu completata, pronta ad accogliere la successiva urbanizzazione barocca, della controriforma.
Alla fine del XVI secolo la chiesa cattolica era diventata molto potente. L'immensa ricchezza accumulata era continuamente ostentata insieme al lusso nel quale vivevano i papi e la curia, a maggior ragione, l'esibizione continua di ricchezza da parte della chiesa strideva, se confrontata con le condizioni di vita del popolo, misere e continuamente minacciate. Questo fu uno dei motivi delle forti critiche mosse dalla riforma protestante. Per contrastare il protestantesimo, la chiesa, oltre a far funzionare i tribunali dell'inquisizione (nel 1600 fu messo al rogo a Campo dei Fiori il filosofo Giordano Bruno e nel 1633 Galileo venne condannato per eresia), fece costruire numerosissime chiese, monumenti e fontane al fine di dimostrare con la loro magnificenza la superiorità dei papi e della Chiesa cattolica. Tra i tanti architetti che furono chiamati a rappresentare con le loro opere il potere della Roma papalina, i più grandi furono Bernini e Borromini. Nel 1626 venne completata la basilica di S. Pietro, a metà del secolo Bernini ridisegnò Piazza Navona, collocandovi la Fontana dei Fiumi e del Moro, mentre Borromini completava Sant'Agnese. Ma la più grande realizzazione di Bernini, promossa da Alessandro VII (1655-67), fu l'imponente colonnato di Piazza S. Pietro. In seguito, lungo tutto il Settecento gli architetti furono chiamati ad intervenire sugli spazi urbani e architettonici rimasti irrisolti. Così si intrapresero i lavori per la costruzione del porto di Ripetta, interrato sotto il Lungotevere; nel 1723 venne iniziata la scalinata di Trinità dei Monti, partendo dalla "barcaccia"; nel 1732 si avviò l'opera di costruzione della Fontana di Trevi; nel 1735 venne costruita la facciata di S. Giovanni e nel 1743 fu completata quella di S. Maria Maggiore