Cependant, la paix assurée par les Romains s’effondre dès la seconde moitié du III^e siècle. Les peuples germaniques pressent aux portes de l’Empire. Des Francs, des Alamans, des Saxons pénètrent en Normandie par voie terrestre ou par les côtes de la Manche. Les archéologues retrouvent aujourd’hui dans la stratigraphie des sites antiques un horizon de terre noire qui traduit la violence des incendies. Des villas tombent à l’abandon. L’insécurité devient permanente.

Les Romains réagissent en resserrant le découpage provincial. Rouen est ainsi mise à la tête d’une province (la II^e Lyonnaise) dont l’extension préfigure celle de la future Normandie. Le litus saxonicum, une organisation de défense des côtes de la Manche, est mise en place contre les incursions des pirates. Pour repeupler le territoire, Rome accorde le droit à certains envahisseurs germaniques de s’installer. L’armée romaine elle-même incorpore des Barbares. Face aux invasions répétées, les villes s’abritent derrière des remparts. À la même époque, le christianisme se répand parmi la population gallo-romaine. Rouen figure parmi les premières villes du nord de la Gaule à avoir un évêque.

Après plusieurs vagues d’invasions, les Francs du roi Clovis deviennent maîtres du nord de la Gaule (dont la future Normandie) vers 486.