Nel 526, alla morte di Teodorico, Giustiniano ritiene maturi i tempi per la riunificazione dell'impero. Nel 535 invia in Italia il più capace dei suoi generali, Belisario, per conquistarla da sud a nord. Gli si oppone il goto Vitige. è l'inizio della terribile guerra gotico-bizantina, lunga quasi vent'anni (dal 535 al 553) e combattuta nel più totale disprezzo delle popolazioni, che usciranno dal conflitto decimate e prostrate. Nel 538 Giovanni, ufficiale di Belisario, strappa Rimini ai Goti. Vitige la cinge d'assedio, ma un fossato fatto scavare nottetempo da Giovanni impedisce alle sue macchine belliche di avvicinarsi alle mura. Agli assediati, ormai allo stremo, giunge in soccorso Belisario, che mette in fuga i Goti ed entra in Rimini.
E' l'anno 539. Quattro anni di continue battaglie, assedi e saccheggi hanno innescato una spaventosa carestia che miete centinaia di migliaia di vittime e imbarbarisce i superstiti. Procopio di Cesarea, autore di una cronaca vigorosa e impietosa, narra un episodio inquietante: due donne di un villaggio presso Rimini, proprietarie di una locanda, avrebbero ammazzato nel sonno, macellato e divorato diciassette malcapitati viandanti, per essere passate a fil di spada dal diciottesimo.
La guerra fra i Goti e i Bizantini si trascina con alterne fortune dei contendenti. Nel 549 Giustiniano richiama in patria Belisario; Totila, che era stato incoronato re dei Goti nel 541, può rioccupare buona parte dell'Italia, compresa Rimini. Nel 552 sbarca a Ravenna il generale bizantino Narsete, alla testa di un esercito agguerrito, e punta verso Roma; a Rimini incontra l'accanita resistenza del goto Usdrila, che per fermare i Bizantini fa smantellare l'ultima arcata del ponte di Tiberio. I Goti, dopo alcuni infruttuosi tentativi di riscossa, debbono sottomettersi a Giustiniano.
Rimini torna ai Bizantini, che danno un nuovo assetto politico-amministrativo ai territori conquistati. Rappresentante dell'imperatore in Italia è l'esarca, che risiede a Ravenna e governa direttamente sulle città emiliane dell'"esarcato"; le città di Rimini, Pesaro, Fano, Senigallia e Ancona compongono la "pentapoli marittima", di cui Rimini è la capitale e che è retta da un duca. Due toponimi conservano il ricordo di questo periodo: "via Ducale" e "Castellaccia", rione così chiamato per il turrito palazzo del duca che vi sorgeva.
L'"esarcato" e la "pentapoli" si opporranno, nel 568, all'occupazione dei Longobardi di Alboino. Da questa resistenza deriva il nome Romagna (Romania), "terra romana", in contrapposizione a Longobardia (da cui Lombardia), "terra longobarda". Solo nel 751 i Longobardi riusciranno ad aver ragione degli ultimi possedimenti bizantini. Per poco, giacchè nel 756 il franco Pipino sconfiggerà il longobardo Astolfo e donerà l'"esarcato" e la "pentapoli" alla Chiesa.
Il titolo di duca designa ora i governatori papali. Nella seconda metà del X secolo, in conseguenza della riforma amministrativa di Carlo Magno, il nome di duca è sostituito da quello di conte, pur restando invariate le prerogative. Le notizie sulle condizioni di Rimini in questo periodo sono scarsissime; registrazioni del Codice Bavaro documentano che le case del pieno centro sono di legno, paglia e fango: ciò che indica un grave degrado della situazione economica e del tenore di vita. Nell'alto Medioevo il cuore politico e religioso della città si trasferisce dal foro all'area attigua alla cattedrale di Santa Colomba; nella confinante piazza della Fontana sorgeranno poi gli edifici del libero comune.
Intorno al fatidico anno Mille ha inizio in tutta Europa una lunga fase di ripresa economica e di sviluppo demografico. La rinascita di Rimini sembra legata ad un evento naturale: il mutamento di corso del Marecchia, la cui foce diventa un ottimo porto. L'importanza del nuovo scalo è indubbia. Nell'XI secolo, in connessione con le molteplici attività portuali, sorge il borgo di San Giuliano.

Per proseguire