Col passare dei secoli solo Centocelle resistette agli insabbiamenti e alle distruzioni che fecero sparire gli altri porti e assunse quindi la funzione di porto di Roma.
Durante l'Impero, le dominazioni barbariche, e in seguito, sotto il dominio dei papi, esso divenne sempre più porto militare e commerciale, oltrechè porto passeggeri e di rifugio.

Nell'Alto Medioevo, dopo il ritorno dei profughi da Cencelle riprese subito vita tanto che nel X secolo era il miglior porto del Tirreno.
La tranquillità interna dello Stato Pontificio, raggiunta con i papi del Quattrocento, fece sentire i suoi benefici sul porto e i grandi lavori ordinati da Sisto IV permisero un nuovo sviluppo dei traffici.
Nel secolo successivo il porto divenne una delle principali basi militari contro i Turchi e nel Seicento esso potè fare concorrenza a Livorno e a Genova.

Successivamente la riattivazione di Fiumicino e di Anzio diminuì il livello dei traffici ma in seguito, nel secolo scorso, dopo l'unificazione il retroterra si allargò notevolmente, favorito dalle ferrovie, dalle nuove strade e dallo sviluppo delle industrie e il porto assunse la fisionomia e i caratteri che conserva tuttora. 

Il primitivo aspetto del bacino era quello di uno specchio d'acqua quasi circolare, con un diametro di mezzo chilometro, protetto da due solidi moli protesi nel mare per 400 metri; nella parte interna, presso la diga di ponente, fu poi costruito un bacino minore, la futura "Darsena romana".

I primi lavori di rimodernamento furono eseguiti nel 1508 da Giulio II, che iniziò la fortezza (il futuro Forte Michelangelo); nel 1513 Leone X ordinò il completo restauro della darsena romana; nel 1592 Clemente VIII ordinò il rifacimento dell'antemurale che fù protetto da grandi gettate di scogli.

Nei primi anni del secolo successivo furono costruiti, sotto Paolo V, grandi magazzini di depositi mentre Urbano VIII fece rafforzare i moli, prolungare l'antemurale di Traiano e scavare il fondo.
Sempre nel Seicento sorse il grande Arsenale del Bernini, il monumento più caratteristico, distrutto durante l'ultima guerra, che occupava pressappoco l'area dell'attuale Capitaneria di porto.

L'arsenale si trovava a poca distanza dalla fortezza, fu costruito nel 1660 sotto il pontificato di Alessandro VII. Aveva una lunghezza di 50 metri: era formato da sei grandi navate, capace ognuna di ospitare una galera in costruzione.
Le navate erano accoppiate a due a due e ciascuna coppia, era disposta su tre raggi convergenti al mare, ove con lieve pendio, aveva l'uscita in uno dei tre lati dell'esagono che formavano il bellissimo prospetto, rivestito di travertino ed ornato di mensole e cornici e sormontato al centro dal grande stemma marmoreo del papa Alessandro VII.

Dopo l'unificazione venne chiusa la bocca di levante e costruita la stazione marittima interrando una parte del bacino subacqueo, prolungato l'antemurale, creati nuove banchine, silos e magazzini.

Le distruzioni dell'ultima guerra sono state gravissime al punto che fù devastato l'80% del complesso. La ricostruzione, prontamente iniziata, ha ridato al porto tutta la sua efficienza che viene sempre più potenziata con la creazione di nuovi bacini e moli.