A legjelentősebb régészeti kutatások a 12. kerületben történtek, ahol 1991-ben rengeteg lelet került elő, köztük a legkorábbi állandó emberi létre utalók is. A Bercy környékén végzett ásatások során egy i. e. 4200-ból fennmaradt vadászfalu nyomait tárták fel nagy mennyiségű sírmelléklettel (köztük fa pirog, agyagedények, íjak, nyilak és más, kőből és csontból készült használati tárgyak).

Az őskori település és a gallo-román kor között Párizs története teljesen homályba merült. Mindössze annyi ismeretes, hogy a parisii törzs, a kelta szenonok egy ága uralta a területet, amikor Julius Caesar seregei elfoglalták az országot. A legelfogadottabb nézet i. e. 250 és i. e. 200 körülre teszi a város alapítását, de pontos időpont nem ismert. A város elhelyezkedésével kapcsolatban is csak találgatni lehet. Korábban a Cité szigetére gondolták a gall település helyét, ám ott minden lelet elpusztult a metró építése folyamán. Más feltételezések szerint a Szent Lajos-szigeten lehetett a város, de akár azzal szemben – a mai bal parton – is elterülhetett. A legújabb, sokszor vitatott hipotézis a Valérien-hegyre teszi az ókori települést.
I. e. 52-től, miután Labienus gall helytartó elfoglalta a várost, az a Lutetia (gallosítva Lutèce) nevet kapta, a főváros szerepe pedig egyértelműen Lugdunumra (a mai Lyon) hárult. Az i. e. 1. századi római város a Szajna bal partján, pontosabban a mai Saint-Germaine körút, a Val-de-Grâce és a Rue Descartes által határolt területen a Luxemburg-kertig terült el. Központja a mai Rue Saint-Jacques mellett feküdt. A város egy római kori vidéki város létesítményeivel volt ellátva, színházzal, palotákkal, fürdőkkel, fórummal és amfiteátrummal rendelkezett. A várostól délre találták meg a temető nyomait.

Párizs a 4. században vette fel mai nevét a valaha ott élő parisius törzsről (többesszámban: Parisii). 508-ban Klodvig a rómaiak felett aratott győzelme után ide helyezte birodalma központját. A 6. századtól egy kultikus hely is ismert a városban a mai Saint-Gervais templom helyén. A 8. században a vikingek támadása ellen erődrendszert építettek a Cité-sziget körül, amelyet a 9. században a Szajna jobb partjára is kibővítettek, megvédendő a Saint-Gervais és a Saint-Germain-l'Auxerroi templomokat. A bal parti városrészeket 885-ben a normannok elpusztították. Capet Hugó 987-es trónra kerülésekor, a Capeting-dinasztia uralmának kezdetén, Párizs Orléans mellett a Nyugati Frank Királyság legjelentősebb városa volt.