המעבר מהתקופה הרומית לתקופה הביזנטית היה תולדה של תהליכים פנימיים שחלו באימפריה הרומית ולא תוצאה של אירוע דרמטי, משום כך החוקרים חלוקים בדעותיהם באשר לקביעת ראשיתה של התקופה. גישה אחת שמה במוקד את התהליכים הפוליטיים שהביאו בשנת 395 לפיצול הסופי של האימפריה הרומית לשתי אימפריות – מערבית ומזרחית, בעת שהקיסר תֵּיאוֹדוֹסִיוּס הראשון פיצל את האימפריה בין שני בניו-יורשיו.
חשוב לציין שגם בסוף המאה השלישית פוצלה האימפריה הרומית, אך היא אוחדה בשנית בשנת 324, כאשר הקיסר קוֹנְסְטַנְטִינוּס הגדול השתלט על כל חלקי האימפריה. בקרבות שניהל קונסטנטינוס הגדול נגד אויביו נלחמו חייליו בנושאם את דגל הנצרות. לפיכך יש הרואים את התהליכים הדתיים של הפיכת האימפריה הרומית לנוצרית כתהליכים הקובעים את ראשיתה של התקופה ומציינים את שנת 324 – השנה שבה קונסטנטינוס איחד את כל האימפריה הרומית תחת שלטונו, הכיר בנצרות כדת מוכרת ומאוחר יותר הכיר בה כדת המדינה באימפריה – כזמן תחילתה של התקופה הביזנטית.
כיוון שהשינוי הדתי באימפריה הרומית – מדת אלילית לדת נוצרית – גרם לזינוק במעמדן של ארץ ישראל וירושלים, מנקודת המבט של תולדות ארץ ישראל נהוג לציין את שנת 324 כמועד תחילת התקופה הביזנטית.
קונסטנטינוס שיגר לארץ ישראל את אמו הֶלֶנָה, והיא ביקרה בירושלים.
על פי המסורת הנוצרית, הלנה זיהתה בעיר אתרים קדושים הקשורים לפעילותו ולמותו של ישו, ובראשם מקום הצליבה והקבורה. השלטון הביזנטי החל לבנות מבני דת גדולים, בולטים ומפוארים באתרים אלה, וזרם גדול של צליינים (עולי רגל) נוצרים החל לפקוד את הארץ ואת אתריה הקדושים. בהמשך התקופה התפשטה והתחזקה תנועת הנזירות, והיא הקימה מנזרים רבים ברחבי הארץ. תהליכים אלה הביאו לפריחה כלכלית ויישובית של ארץ ישראל, שנתמכה ברמת ביטחון הפנים הגבוהה של האימפריה הביזנטית ובחשיבות שייחס השלטון הביזנטי לארץ ישראל כאזור גבול.
במהלך התקופה הביזנטית הפכו רבים מתושבי ארץ ישראל לנוצרים. לצידם המשיכו להתקיים השומרונים והיהודים ואף הפגאנים (עובדי האלילים) והערבים (בעיקר באזורי המדבר) כאוכלוסיות נפרדות ומובחנות במנהגי הדת שלהן. הנוצרים הפכו לרוב בארץ ישראל רק בסוף המאה החמישית ובתחילת המאה השישית. האוכלוסייה היהודית בתקופה זו הייתה מרוכזת בצפון הארץ – בכרמל, בגליל ובגולן - ובדרום הר חברון. במרכז הארץ, כולל אזור יהודה, רוב האוכלוסייה הייתה נוכרית (לא יהודית).
