La Bithynia divenne romana dopo la morte del re di Bithynia, Nicomede IV Filopatore, nel 74 a.C. (Appian. Mithrid. 71), il regno fu ceduto in condizione di pace. Tuttavia fin dalla morte del predecessore, Nicomede III (94 a.C.), i Romani resero la Bithynia una provincia (Liv. 93) e dopo la scomparsa nel 63 a.C. del re del Pontus (ampio territorio nel nord est dell’Asia Minor, lungo la costa meridionale del Pontus Euxinus da cui prende il nome), Mitridate Eupatore, fu inglobata nella provincia anche la parte occidentale del regno del Pontus.
Pompeo Magno (106-48 a.C.) suddivise il territorio in undici municipia (Dio XXXVIII 10-12). Con l’imperatore Augusto (27 a.C.-14) si ebbe un’ulteriore espansione della provincia verso est, includendo ormai interamente l’ex regno di Mitridate.
La corrispondenza di Plinius con l’imperatore Traiano (98-117) conferma l’estensione massima raggiunta dai Romani, menzionando tra le città bitiniche Sinope (od. Sinop, in Turchia – Plin. Ep. X 91), estremo sito orientale della provincia. Lo scrittore del resto denominò in più occasioni la zona come Bithynae et Ponticae civitates.
Nella divisione augustea in province la Bithynia et Pontus fu provincia senatoria, ma con Traiano furono inviati a governarla in via eccezionale legati Augusti pro praetore, invece che governatori; allora la Bithynia venne suddivisa in dodici municipia e il Pontus in undici.
La città principale fu Nicomedia (od. Izmit, nel nord della Turchia), sostituita nel suo primato durante l’impero di Valentiniano I (364-375) da Nicaea (od. Iznik). Byzantium (od. Istanbul), benché geograficamente appartenesse alla zona trace, dal punto di vista amministrativo venne inclusa nella Bithynia (Plin. Epp. X 57).
L’assetto viario romano, di collegamento tra le principali città, fu costituito essenzialmente da un’unica strada, attestata nell’Itinerarium Antonini (139-143) e nell’Itinerarium Burdigalense (571-575): Chalcedon–Nicomedia–Nicaea–Ancyra (od. Ankara). La Tabula Peutingeriana (IX 2-3) presentò una situazione più articolata, probabilmente denotante anche un’evoluzione dell’assetto tra periodo tardo imperiale e tarda antichità: una strada proveniva da Hadrianoutherae (od. villaggio di Trikala, in Tessaglia) e attraversava Prusias ad Mare-Prusa ad Olympum (od. Bursa) e si spingeva a sud fino al porto di Cyzicus (od. Belkiz, sulla Propontide meridionale), un’altra via dall’Anatolia attraversava Nicaea e continuava a nord fino al golfo di Nicomedia, una terza infine, con provenienza da Amisus, conduceva attraverso Nicomedia fino a Chalcedon.
Durante l’amministrazione di Plinius prese avvio anche una prima fase di inchieste riguardanti la diffusione del cristianesimo nella provincia (Plin. Epp. X 97,98).
Soltanto dopo l’impero di Adriano (118-131) fu concessa alla provincia la celebrazione del culto per Roma e l’imperatore, con la costruzione di appositi templi, inizialmente nella città di Nicomedia, ma poco dopo anche in Nicaea, città che sotto i Severi preservò anche il permesso di bandire giochi in onore dell’imperatore e dei successori.
Durante la dinastia dei Severi i due luoghi suddetti, ovvero le due principali città bitiniche, rifiorirono anche dal punto di vista urbanistico; dal secolo IV Nicomedia divenne la quinta città più grande dell’Impero (Liban. Or. 8).
La seconda metà del secolo III fu contraddistinta anche dalle incursioni gote attraverso i Balcani, che comportarono estese imprese di fortificazione delle città bitiniche.
L’imperatore Costantino (307-336) scelse come propria residenza e nuova capitale dell’Impero Byzantium, che da lui fu denominata Constantinopolis, ufficialmente inaugurata nel maggio del 330. Nicomedia rimase sede del vicarius dioecesis Ponticae e, benché si trovasse a un giorno di viaggio di distanza dalla nuova capitale, condivise la condizione prestigiosa con altre città in ascesa, tra cui di nuovo Nicaea. Al proposito, in ambito religioso in età tardo antica, Nicomedia sarà definitivamente sostituita da Nicaea, sede del primo concilio ecumenico (325).
Per tutto il secolo IV entrambe le città rifiorirono tuttavia anche su un piano culturale, godendo della vicinanza alla nuova capitale imperiale, che affermerà a pieno il suo totale primato nei due secoli successivi, nelle epoche teodosiana e giustinianea.