Nel 238 a.C. Tharros fu sottomessa alla dominazione Romana, fu capace di reagire all'inizio di una crisi economica contrastandola con nuova prosperità, com'è stato archeologicamente documentato, attraverso una rinascita durante la quale vennero costruiti nuovi edifici, bagni termali, acquedotti e strade urbane.
L'età di Costantino è caratterizzata da una integrazione Sardo- Punico- Romana.
Il tempio ipogeico di Marte e Venere, che si trova a pochi chilometri da Tharros nel villaggio di S.Salvatore, ne è una prova evidente. E' originato intorno a una cosidetta sorgente miracolosa, che era un luogo di venerazione per le popolazioni Nuragiche (e quindi locali). E' sopravvissuto al tardo periodo romano, assorbendo le varie espressioni di fede della gente che abitava il Sinis. Essa è, in altre parole, non solo un'eloquente testimonianza della vita religiosa, ma anche della cultura e della civilizzazione di quei tempi. Il progressivo indebolimento dell'Impero Romano lasciò la Sardegna esposta ai conquistatori Vandali, che furono seguiti dai Bizantini nel 534 d.C. In ogni caso le attività commerciali, che continuarono durante la colonizzazione dei Vandali e dei Bizantini, furono interrotte a causa delle incursioni e delle razzie saracene. Nel 1070 d.C., durante il periodo giudicale, gli abitanti di Tharros si trasferirono in massa ad Oristano, un piccolo villaggio di origini romane, che avrebbe giocato un ruolo importante in un periodo successivo, quando sarebbe diventato la capitale del Giudicato di Arborea.