След падането на траките под римска власт римляните превръщат селището във важнакрепост и известен лечебен курорт, който наричали Пауталия – един от най-големите градски центрове в провинция Тракия.

    Кюстендил е бил провъзгласен за град през 106 година по време на управлението на император Марк Улпий Траян. През II-III в. градът сече свои бронзови монети. Пауталия е била сред най-цветущите селища от онова време.

    В чест на бог Асклепий е изграден здравеносен център – асклепион. Останки от него сега се намират в центъра на града. Там е имало зали за лечение и отдих, басейни с топла минерална вода, места за гимнастика. През V-ти век поради зачестили набези на варварски племена е изградена крепостта на Хисарлъка, която е използвана до 15-ти век.

    По-късно градът се преименува Велбъжд и носи името вероятно на някой вожд. Не е известно кога Велбъжд е присъединен към новооснованата българска държава, но се предполага, че това става в началото на 9 век, вероятно по време на царуването на хан Крум. След покръстването на българите, градът става важен епископски център.

    По времето на византийското иго около Велбъжд израстват големи манастирски комплекси, свързани с живота и дейността на българските светци Иван Рилски, Йоаким Осоговски и др. Тогава значението на Влбъжд нараства и в грамота на Алексий I Комнин той е споменат на трето място преди Средец.