A partir du deuxième tiers du III^e siècle, les raids « barbares » dévastent de nombreux lieux de la région normande. Les traces d’incendies et les trésors monétaires enfouis à la hâte montrent les progrès de l’insécurité en Gaule du Nord. Le littoral doit faire face à la piraterie maritime des Saxons et des Frisons. C'est dans ce cadre que le pouvoir romain met en place un double système de défense du littoral de la Manche et de l'Atlantique appelé litus saxonicum et tractus Armoricanus, destinés à défendre la côte contre les Saxons mais aussi contre les Francs et les Frisons. Cependant, parallèlement, des contingents germaniques intègrent l'armée romaine et des immigrants reçoivent l'autorisation de s'établir dans l'Empire. Des Germains sont donc recrutés pour lutter contre d'autres Germains. Des toponymes et des sites archéologiques rappellent l'installation de ces groupes étrangers: les toponymes Allemagne (aujourd'hui Fleury-sur-Orne ), Almenêches, attestant de la présence d'Alamans, les sites archéologiques d'Airan ou de Frénouville, indiquant celle de Goths ou autres Germains. De plus, la Notitia dignitatum mentionne par exemple la présence de Bataves à Bayeux. Des légions s'installent dans la future Normandie, notamment la Prima Flavia Gallicana Constantia qui donne son nom à Constantia (Coutances alors chef-lieu des Unelles) et au pagus Constantina (le Cotentin ). Cette armée mise en place par Constance Chlore en 298 accueille des auxiliaires suèves. À l’occasion des réformes de l’empereur Dioclétien (285-305), la Normandie s'était singularisée en devenant la « Seconde Lyonnaise » et en se détachant de la Bretagne voisine. C’est aussi à cette époque que commence la christianisation de la province : les historiens savent qu’en 314, Rouen a déjà un évêque. À partir de 406, les peuples germaniques et alano-hunniques déferlent sur l’Occident en brisant les dernières défenses du limes, malgré la résistance acharnée des auxiliaires francs et alamans de l'armée romaine. Des Saxons viennent s’installer sur les côtes normandes, dans la région de Bayeux que les textes qualifient d’Otlinga saxonia (première mention en 844) ou d’Otlinga Hardouini, ainsi que sur les îles anglo-normandes. De nombreux Francs s'installèrent également dans le pays de Bray et une partie du pays de Caux parfois comme soldats romains d'abord, puis, suite à l'effondrement du « royaume romain » de Syagrius par la victoire de Clovis, comme soldats du nouveau pouvoir franc.

Haut Moyen Âge 

Le mont Saint-Michel

Dès 486, la Gaule entre Somme et Loire passe sous le contrôle du chef franc Clovis. La colonisation franque fut inégale: assez dense dans la partie est et quasiment nulle dans la partie ouest de l'actuelle Normandie. Elle se manifeste par les nécropoles à rangées d’Envermeu, Londinières, Hérouvillette et Douvrend, etc. Les toponymes en -hlar- ( « lande », ancien français larris « friche , lande » ) dans Meulers , en avisna (pâturage » ) dans Avesnes-en-Bray, en -alach- (« temple » ) dans Bouafles, Neaufles-Auvergny, en bure (« habitation » ) dans Hambures, Bures-en-Bray, en -baki (« ruisseau » ) dans Rebets, en -mark- (« limite, marche » ) dans Marques, en -berg- (« élévation » ) dans Barc, Barques (Seine-Maritime) en -mer (« mare » ) dans Blingemer, Mortemer, en -eng dans Hodeng, en -court et les plus anciens en -ville datent de cette époque franque. La région devient une partie essentielle de la Neustrie à la mort de Clovis et Rouen reste une ville importante. De cette période date aussi le découpage administratif et militaire en comtés, le comte franc étant un haut fonctionnaire de l'État. Enfin, l’est de la région, à proximité de Paris, fut un lieu de résidence pour les rois et princesses mérovingiens.

Surtout, la christianisation amorcée au Bas-Empire se poursuit en profondeur dans la région : construction de cathédrales dans les principales villes, édification d’églises suburbaines dédiées à des saints, oratoires sur les routes, etc. L’établissement des paroisses se réalise progressivement, sur le temps long. Les plus petites occupaient la plaine de Caen, alors que les paroisses du bocage étaient plus étendues. À l’époque carolingienne, les tombes des villageois se regroupent autour de l’église paroissiale.

Le monachisme normand se développe vraiment à partir du VI^e siècle, surtout dans l’ouest de la région, plus isolé. Au VII^e siècle, des nobles d'origine franque fondent plusieurs abbayes dans la vallée de la Seine : Abbaye de Saint-Ouen de Rouen vers 641, Abbaye de Saint-Wandrille, Fontenelle en 649, Jumièges vers 654, Pavilly en 662, Montivilliers entre 682 et 684. Ces abbayes normandes adoptèrent rapidement la règle de saint Benoît. Elles possédaient de grands domaines fonciers, dispersés en France, dont elles tiraient des revenus élevés. Elles furent donc des enjeux dans les rivalités politiques et dynastiques.