Wie das übrige Gebiet des heutigen Staates Österreich südlich der Donau wurde das Territorium des Bundeslandes Oberösterreich (mit Ausnahme des Mühlviertels) im Jahr 15 v. Chr. von den römischen Heeren unter den Stiefsöhnen des Kaisers Augustus, Tiberius und Drusus, erobert. Die Machtübernahme in diesem Gebiet erfolgte offenbar friedlich. In der Mitte des 1. Jhs. n. Chr. wurde die Provinz NORICUM eingerichtet. Diese umfasste ungefähr das Gebiet des heutigen Österreich östlich von Inn und Ziller und westlich des Wienerwaldes; zudem schloß sie auch Teile Bayerns, Südtirols und Sloweniens ein.
Oberösterreich wurde von drei wichtigen römischen Straßen durchquert: Eine West-Ost-Verbindung verlief von IUVAVUM (Salzburg) über OVILAVIS (Wels) zur Donau, wo sie auf eine zweite West-Ost-Verbindung stieß, die entlang der Donau über CASTRA REGINA (Regensburg), LAURIACUM (Lorch), VINDOBONA (Wien) und CARNUNTUM (Petronell und Bad Deutsch-Altenburg) weiter nach Osten führte. Die so genannte „Norische Hauptstraße“ nahm in Aquileia den Ausgang und verlief über VIRUNUM (Zollfeld) über den Neumarkter Sattel, den Triebener Tauern und den Pyhrnpaß nach OVILAVIS (Wels).
Während in Salzburg und an vier Orten südlich des Alpenhauptkammes im Bereich der römischen Provinz NORICUM unter Kaiser Claudius municipia (Städte) eingerichtet wurden, erhielt OVILAVIS das Stadtrecht erst unter Kaiser Hadrian (117-138 n. Chr.). Teile des Innviertels und der Attergau gehörten zum Territorium von IUVAVUM. Das restliche Oberösterreich südlich der Donau unterstand OVILAVIS, bis das Stadtrecht von LAURIACUM eine Verschiebung notwendig machte.
Ab der zweiten Hälfte des 1. Jhs. n. Chr. wurden zur Sicherung der Nordgrenze des Römischen Reiches entlang der Donau eine Grenzbefestigung, genannt limes, mit Kastellen und Truppenlagern eingerichtet. In LAURIACUM (Lorch), wo seit dem Ende des 1. Jhs. n. Chr. nur ein kleines vicus (Dorf) bestand, wurde nach den Markomannenkriegen (um 170 n. Chr.) ein Legionslager und damit in Verbindung eine größere städtische Siedlung gebaut. Dieser wurde unter Kaiser Caracalla (211-217 n. Chr.) das Stadtrecht verliehen.
Neben den Städten gab es zahlreiche kleinere Siedlungsformen: vici (Dörfer), Straßenstationen und Gutshöfe. Gutshöfe, die der landwirtschaftlichen Versorgung dienten, waren in besonders großer Anzahl entlang der Salzach und des Inns und im Umkreis von OVILAVIS vorhanden.
Obwohl es im Zuge der Auseinandersetzungen nach dem Tod Kaiser Neros in den Jahren 68 bis 70 n. Chr. in Oberösterreich militärische Aufmärsche gab, fanden keine Kampfhandlungen statt. Die Friedenszeit dauerte von der Einrichtung der Provinz bis zu den Jahren um 170 n. Chr. Zu dieser Zeit fielen die Markomannen und Quaden in NORICUM ein und drangen bis nach Oberitalien vor. Einer kurzen Blütezeit unter den Kaisern aus dem Geschlecht der Severer (193-235 n. Chr.) folgten unruhige Zeiten, in denen die Alemannen mehrmals in Oberösterreich einmarschierten.
Unter Kaiser Diokletian (284-305 n. Chr.) wurde die Provinz NORICUM entlang des Alpenhauptkammes geteilt. Der nördliche Abschnitt, der ab dem 3. Jh. UFERNORICUM genannt wurde, erhielt OVILAVIS oder LAURIACUM als Hauptstadt. Während militärischer Operationen zur Sicherung der Grenzen hielten sich die Kaiser Constantius (337-361 n. Chr.), Julian Apostata (361-364 n. Chr.), Valentinian I. (364-375 n. Chr.) und Gratian (367/375-383 n. Chr.) in Oberösterreich auf. Im 5. Jh. n. Chr. litt die Bevölkerung unter den Einfällen der Germanen und Hunnen.
LAURIACUM wandelte sich im 5. Jh. n. Chr. von einem Legionslager zu einer Zivilstadt, die der einzige bekannte Bischofssitz in NORICUM war. Der schon lange andauernde Niedergang wurde durch den verordneten Abzug der Bevölkerung im Jahr 488 n. Chr. besiegelt. Dieser Abzug wurde aber, wie Funde zeigen, nicht vollständig durchgeführt.