После падения Арташесидов Армения на несколько десятилетий осталась главной ареной соперничества Рима и Парфии. Около 52 года н. э. парфянский царь Вологез I посадил на армянский престол своего брата Трдата I (Тиридата I). Рим не признал этого, и началась долгая война, в ходе которой римский полководец Корбулон взял и сжёг Арташат. В конце концов по соглашению, заключённому в Рандее в 63 году, было решено, что Трдат останется царём, но получит корону из рук римского императора. В 66 году Трдат с большой свитой отправился в Рим, где император Нерон торжественно короновал его. Так утвердился армянский царский дом Аршакидов, который с некоторыми перерывами правил Арменией более трёх с половиной веков.
По словам римских историков, Трдат вернулся из Рима с мастерами, которые помогли восстановить Арташат. Греческая надпись, найденная в крепости Гарни, приписывает её строительство царю Трдату. Колоннадный храм внутри крепости — единственное сохранившееся стоящее здание эллинистического и римского стиля в Армении. Большинство учёных датирует его второй половиной I века, хотя предлагались и более поздние датировки, а некоторые исследователи считают, что это не храм, а гробница. Разрушенное землетрясением 1679 года, здание было восстановлено в 1969–1975 годах из сохранившихся на месте камней.
В последующие века Армения оставалась в центре соперничества двух империй. Во II веке был основан город Вагаршапат, служивший некоторое время царской резиденцией. В 224 году в Персии Аршакидов сменили Сасаниды. Они считали армянских Аршакидов враждебным родом, и в середине III века Армения на несколько десятилетий оказалась под персидским господством. В конце века Трдат III при поддержке Рима вернулся на престол своих предков.
С именем Трдата III связано одно из решающих событий армянской истории. Христианство проникло в Армению ещё в первые века, и армянская церковная традиция считает её основателями апостолов Фаддея и Варфоломея. История, известная под именем Агатангелоса, рассказывает, что христианин по имени Григорий, воспитанный в Кесарии (Кайсери) Каппадокийской, служил Трдату, но отказался принести жертву богине Анаит и много лет провёл в заточении в Хор Вирапе близ Арташата. Согласно тому же рассказу, девы Рипсимэ и Гаянэ со своими спутницами приняли мученическую смерть в Вагаршапате, а царь тяжело заболел и исцелился лишь молитвой Григория. После этого Трдат и его двор крестились, а Григорий был рукоположён в Кесарии в верховные епископы Армении. Он вошёл в историю как Григорий Просветитель.
В армянской церковной традиции традиционной датой провозглашения христианства государственной религией считается 301 год. Многие современные историки, исходя из римской и церковной хронологии, предпочитают дату около 314 года. В любом случае Армения обычно считается первой страной, принявшей христианство как государственную религию. Построенная в Вагаршапате главная церковь позднее получила название Эчмиадзин — «Сошёл Единородный», поскольку, согласно преданию, Григорий в видении узрел, как Христос сошёл с небес и указал место для храма. Нынешнее здание собора в основном является результатом перестройки конца V века и изменений последующих веков. На месте языческих святилищ строились церкви, а детей языческих жрецов, по словам Агатангелоса, отдали в обучение. Недавно в Арташате была раскопана церковь IV века — одно из самых ранних известных церковных сооружений Армении.
Принятие христианства культурно отдалило Армению от зороастрийской Персии, но не избавило её от войн. В IV веке цари-Аршакиды боролись и с Сасанидской Персией, и с могущественными нахарарскими домами, а их отношения с церковью тоже не всегда были гладкими. Согласно преданию, Хосров III Котак перенёс двор в основанный им город Двин. Аршак II много лет сопротивлялся Шапуру II, но в конце концов попал в плен и умер в персидской крепости Анюш. Во время персидских нашествий гробницы Аршакидов были осквернены, и, по сообщению Фавстоса Бузанда, останки царей были перенесены в Ахцк, где царская усыпальница сохранилась до наших дней. В 371 году, в царствование сына Аршака — царя Папа, спарапет Мушег Мамиконян при поддержке римских войск разбил персидское войско на поле Дзирав в Багреванде. Однако вскоре Пап был убит в результате заговора, организованного римлянами.
В конце IV века две империи договорились разделить Армению. Около 387 года (точная дата спорна) по соглашению между Римской империей и Сасанидской Персией меньшая западная часть страны отошла к Риму, а большая восточная — к Персии. Поначалу в обеих частях правили цари-Аршакиды, но в западной части царская власть вскоре была упразднена. В Восточной Армении правление царя Врамшапуха (начало V века) было относительно мирным, и именно тогда был создан армянский алфавит. В 428 году часть армянских нахараров потребовала от сасанидского двора низложить Арташеса IV, и персидский царь Бахрам V, несмотря на возражения католикоса Саака Партева, упразднил царство. Армения стала персидским марзпанством, хотя нахарарские дома и церковь сохранили большую роль во внутренней жизни страны.
