___осле раздела Римской империи на Западную и Восточную ее части, в 395 году, город, как и весь Балканский полуостров, был включен в состав Восточной части – Византии, в составе фемы Фракии. Месемврия становиться очень важным форпостом обороны причерноморских рубежей, а принятие христианства в Византии в качестве официальной религии и близость новой столицы – Константинополя, создали благоприятные условия его возрождения. Нарастала стратегическая и экономическая роль города, процветала культура. Активно развивались торговые отношения с землями Средиземноморья и Адриатики, а также с королевствами к северу от Дуная. По данным Прокопия Кесарийского, в середине 6 века по приказу императора Юстиниана Великого в городе велось интенсивное строительство. Ведущие архитекторы империи, перестроили крепостные сооружения, прокладывают новую подземную систему водоснабжения, возводят новые жилые и общественные здания, в том числе - городские термы, остатки которых сохранились и до наших дней. Строятся новые христианские церкви – базилики. Известны четыре базили́ки, построенные в V-VI веках. Самая главная – базилика Св. Софии, построенная на месте греческой агоры, и известная, как Старая Метрополия. Совпадение ее имени с именем самой большой церкви в Константинополе не случайно. «Самая большая церковь» часто упоминается в хрониках средних веков. Сохранились и остатки двух других базилик – одной (Богоматери Элеусы) в северной части, и одной у городских ворот, на фундаментах храма Зевса. Многие материалы для строительства ввозились из метрополии, найдены кирпичи с клеймами императоров Константина и Юстиниана.
Несколько позднее византийские правители стали ссылать в Месемврию неугодных им знатных людей, которые стремились иметь свои личные фамильные церкви. Может быть поэтому, до турецкого завоевания, в городе, по преданиям, было более 40 церквей. В 680 году Месембрия была возведена в ранг епископского города. Около 587 года город был разорён аварами. В середине 7 века при императоре Константе ІІ немногочисленное население увеличилось переселенцами-беженцами из Апамеи (Сирия).