Les premières populations s’installent au bord de l’Isère, profitant d’un rétrécissement de la rivière qui autorise le passage d’une rive à l’autre. Malgré sa taille modeste, le bourg de Cularo va bénéficier de sa position au carrefour des routes marchandes qui relient Milan à Vienne et Genève au sud de la Gaule.
Les vestiges de cette époque, dont certains représentent des sites d'intérêt archéologique et historique majeurs, témoignent ainsi de l’influence gallo-romaine, avec l’édification d’une première enceinte à la fin du IIIe siècle. Cularo devient Gratianopolis avec la création d’un évêché dès la fin du IVe siècle.
Le schéma bleu symbolise l'emprise approximative de Grenoble à cette période.
Première enceinte fortifiée de la ville, l’enceinte de Cularo était longue de presque 1,5 km, comptait 39 tours semi-cylindriques et deux portes, la porte de Jupiter et la porte d’Hercule. Le texte de dédicace gravé au-dessus de ces deux portes, détruites à la fin du XVIe siècle, atteste que ces remparts sont commencés et achevés sous les règnes conjoints des empereurs Dioclétien et Maximilien, ce qui permet de dater assez précisément leur édification entre 286 et 293.
Protégeant une superficie de 9 hectares, ces remparts avaient un rôle de défense et de prestige. Leur réalisation aurait en effet marqué le nouveau statut de civitas, c’est-à-dire de capitale administrative, que l'empereur Dioclétien avait accordé à l'agglomération. Sa construction était très soignée. La majeure partie, d’une largeur de 4 mètres environ, était constituée d’un blocage de pierres calcaires, de galets et de tuileaux liés par un mortier très dur. Un bel appareillage de petits blocs calcaires soigneusement équarris formait le parement, lui-même recouvert d’un enduit. Ce parement a disparu – les pierres taillées ont été réutilisées lors des différentes phases d’agrandissement de la ville – et seul le blocage de pierres est encore visible par endroits.
Le tracé de l’enceinte antique est connu aujourd’hui avec une relative précision et de nombreux vestiges ont été conservés. Une section de courtine et une tour semi-cylindrique sont visibles à l’entrée de la rue Lafayette, côté rue de la République. La base de la tour de la Trésorerie, ancienne tour de l'enceinte, se situe sur la rue Hector Berlioz (à l'entrée du Jardin de ville). La treille de Stendhal, observable depuis le Jardin de ville, s'appuie sur une section de courtine. Une autre section de courtine et une tour sont également encore visibles au chevet de la cathédrale Notre-Dame. L'espace archéologique du sous-sol du musée de l’Ancien Évêché abrite aussi d'importants vestiges : tour semi-cylindrique, courtine, poterne et fondations d’une tour de la porte Viennoise (ancienne porte d’Hercule).