Tra il II e il IV secolo, Ocriculum visse una lenta trasformazione, mantenendo un ruolo importante nel tessuto amministrativo e commerciale dell’Umbria romana. Con il declino dell’Impero e le prime invasioni barbariche, anche il tessuto urbano della città iniziò a mutare profondamente.
Gli episodi bellici della guerra greco-gotica (535–553) misero in luce la vulnerabilità del centro urbano, privo di difese naturali e di mura fortificate. Il colle, già dotato di cinta muraria, tornò ad assumere una funzione strategica, accogliendo progressivamente la popolazione. Otricoli è uno dei casi più precoci in Italia di ripopolamento d’altura nell’Alto Medioevo: una trasformazione che riflette il passaggio da città aperta a insediamento fortificato.
Nel 568 i Longobardi invasero l’Italia e, nel corso del VI e VII secolo, l’Umbria fu teatro di scontri tra Longobardi e Bizantini. Otricoli, inizialmente sotto il controllo dell’Esarcato di Ravenna, venne inclusa nel Ducato di Roma. Dopo alterne vicende belliche e diplomatiche, entrò stabilmente nei possessi della Chiesa di Roma con il Pactum Ludovicianum (817), che confermava i patti stipulati da Carlo Magno e il pontefice Adriano I.
In questi secoli, Ocriculum fu anche sede vescovile. Le fonti attestano l’esistenza della diocesi a partire dal V secolo, con il vescovo Herculius presente al concilio di Roma del 487.
Figura centrale di questo periodo è San Fulgenzio, co-patrono di Otricoli. Durante la guerra greco-gotica, affrontò il re Totila: secondo la tradizione, un miracolo lo salvò dalla prigionia e dalla morte, convincendo il sovrano a risparmiare la città. A Fulgenzio si attribuisce anche il miracoloso ritrovamento delle reliquie di san Vittore, poi traslate nella Collegiata, rafforzando così il culto dei santi locali e l’identità religiosa del borgo fortificato.