После падения Ванского царства, в начале VI века до н. э., Армянское нагорье перешло под власть Мидии, а с 550-х годов до н. э. — Ахеменидской Персии. Именно в это время названия «Армения» и «армяне» впервые достоверно появляются в письменных источниках. Армянское предание и «Киропедия» греческого автора Ксенофонта рассказывают об армянском царе — союзнике Кира Великого — и о его сыне Тигране, но эти рассказы полулегендарны, и их историческую основу трудно определить.
В 522–521 годах до н. э. Дарий I, взойдя на престол, столкнулся со множеством восстаний, среди которых было и восстание в Армении. Об этом рассказывает его трёхъязычная надпись, высеченная на Бехистунской скале. В древнеперсидском тексте страна называется Армина, а в вавилонском — ещё Урашту, то есть Урарту. Надпись описывает несколько сражений в Армении, в которых войсками Дария командовали армянин по имени Дадаршиш и перс Ваумиса. В той же надписи упоминается и армянин Араха, который поднял восстание в Вавилоне и провозгласил себя царём.
При Ахеменидах Армения была сатрапией, плательщицей дани персидскому двору. На рельефах дворца Ападана в Персеполе изображены посланцы различных народов империи, в том числе армяне, несущие в дар коня и украшенный металлический сосуд. Греческий историк Геродот пишет, что армяне в войске Ксеркса были вооружены как фригийцы, и считает их переселенцами из Фригии. Это последнее утверждение обсуждается в современной науке. На Ванской скале до сих пор сохранилась трёхъязычная надпись Ксеркса I, в которой говорится, что нишу приказал подготовить ещё его отец Дарий. Эребуни продолжал служить административным центром, а найденные там серебряные ритуальные сосуды свидетельствуют о влиянии ахеменидского искусства.
Среди ахеменидских сатрапов выделялся род, который армянская историография называет Ервандидами, а в греческих источниках его представители известны под именем Оронт. Некоторые учёные считают их родом иранского происхождения, связанным браками с ахеменидским царским домом, хотя мнения по этому вопросу расходятся. В 401 году до н. э. Ксенофонт упоминает Оронта, сатрапа Армении, и Тирибаза, правителя Западной Армении. В 331 году до н. э. в битве при Гавгамелах армянский отряд во главе с Оронтом сражался на стороне Дария III против Александра Македонского.
Зимой 401–400 годов до н. э. около 10 тысяч греческих наёмников, отступавших от Тигра к Чёрному морю после неудачного похода Кира Младшего, прошли через Армению. Один из их военачальников, Ксенофонт, описывает в «Анабасисе» глубокий снег и жестокий холод, подземные дома, где люди жили вместе со скотом, напиток из ячменя, который пили через тростинки, и лошадей, которых деревни выращивали в качестве дани царю. Это одно из самых ранних дошедших до нас подробных описаний жизни армянской деревни.
После гибели Ахеменидской державы и смерти Александра Ервандиды продолжали фактически самостоятельно править Арменией, хотя время от времени признавали верховную власть Селевкидов. Столицей был Армавир — бывший Аргиштихинили, где найдены греческие надписи. В конце III века до н. э. последний царь династии, Ерванд, основал новую столицу Ервандашат близ слияния Аракса и Ахуряна, а также религиозный центр Багаран. По соседству находились царства Софена и Коммагена, правящие дома которых также считали себя наследниками Ервандидов. В I веке до н. э. царь Коммагены Антиох I построил на горе Немрут огромное гробничное святилище, где среди своих предков изобразил и царей Ервандидов.
Около 200 года до н. э. селевкидский царь Антиох III решил укрепить свою власть в Армении. Последний Ерванд потерпел поражение, и для управления страной были назначены два стратега: Арташес — в Великой Армении и Зарех — в Софене. Так закончилось правление Ервандидов в Великой Армении. Число их царей, их нумерация и годы правления восстановлены путём сопоставления разных источников и заметно различаются у разных учёных.
