Arlés es una ciudad antigua, fundada por los griegos en el siglo VI a. C. bajo el nombre de Theline. Fue conquistada por los celtas saluvios en el 535 a. C., los cuales le cambiaron el nombre por el de Arelate. Los antiguos romanos tomaron la ciudad en el 123 a. C. y la transformaron en una ciudad importante, con un canal que la conectaba con el mar Mediterráneo construido en el año 104 a. C. No obstante, trató de eludir la sombra de Massalia (Marsella) por la situación que esta última tenía, situada en la costa.
En el 40 a. C. tuvo la oportunidad de recibir el apoyo de Julio César cuando le prestó ayuda militar contra Pompeyo. Massalia cometió el error de apoyar a Pompeyo y cuando César salió victorioso, este le quitó las posesiones a Massalia y las transfirió a Arelate como recompensa. La ciudad se estableció formalmente como una colonia de veteranos de la legión romana VI Ferrata que estaba radicada allí. Su nombre completo era Colonia Ivlia Paterna Arelatensivm Sextanorvm, es decir "antigua colonia juliana de Arles de los soldados de la Sexta Legión."
La ciudad romana de Arelate era de gran importancia en la provincia Gallia Narbonensis. Constaba de un área de 99 acres (400 000 m²) y tenía varios monumentos arquitectónicos como el anfiteatro, el arco triunfal, el circo, el teatro romano y estaba circunvalada por murallas. Durante la antigüedad estaba situada más cerca del mar y servía como un puerto importante.
También tuvo (y aún tiene) el puente más al sur sobre el Ródano. De forma poco corriente, el puente romano no estaba fijado, sino que usaba el estilo de los puentes de barcos, con torres y puentes levadizos en los extremos. Los barcos estaban asegurados con áncoras. Este diseño poco usual se aplicó por las frecuentes y violentas inundaciones provocadas por el río, que habría terminado rápidamente con un puente convencional. No quedan restos de este puente romano, que ha sido remplazado por uno moderno.
La ciudad llegó a su máximo apogeo durante los siglos IV y V, cuando era frecuentemente usada como cuarteles para los emperadores romanos durante campañas militares. En tiempos de Flavio Honorio fue la sede de la prefectura de Galia que incluía también Hispania. Se transformó en la ciudad favorita del emperador Constantino el Grande, quién construyó baños termales en ella, de los cuales aún se mantienen restos importantes. Su hijo, Constantino II nació ahí. Constantino III (el usurpador) se declaró emperador del Occidente (407-411) e hizo de Arlés su capital en el 408.