El destacado material de construcción romano a partir de la fase republicana, fue el sillar de piedra de cantería local, empleado unido de vigas de madera, tejas y baldosas cerámicas. La piedra elegida variaba desde la toba y el travertino del centro de Italia al brillante mármol blanco importado de Grecia y Asia Menor o, en tiempos de Julio César, desde Luna (actual Luni, cerca de Carrara, Italia) y los mármoles policromos traídos desde las canteras de todo el mundo antiguo. A menudo se emplearon finas placas de mármol como revestimiento para cubrir las paredes construidas de sillería o sillarejo asociado con mortero.

Los mármoles dieron fama a las construcciones romanas, al igual que a los edificios griegos previos, sin embargo la argamasa, material equiparable al hormigón actual inventado por los romanos, les aceptó alzar edificios imposibles de cimentar con el anterior método de estructuras adinteladas. El opus caementicium romano era una amalgama de piedras reportes, cal y puzolana volcánica, que suministró a los arquitectos romanos los medios para cubrir espacios monumentales con grandes arcos y bóvedas, y liberar al diseño arquitectónico de los modelos rectilíneos que se utilizaron en la arquitectura griega.

Las cubiertas concrecionadas hicieron posible la construcción de los grandes anfiteatros y baños del mundo romano, así como la cúpula del Panteón y algunos santuarios espectaculares en las colinas, como el de Fortuna Primigenia en Palestrina, Italia (fundamentos del siglo I a.C.). Por causa de que los muros y cubiertas se encontraban producidos con moldes, los arquitectos comenzaron a experimentar con configuraciones irregulares que suministraban un cierto dramatismo al interior de los edificios. A pesar de que la argamasa romana podía ser revestida con gran diversidad de materiales, el ladrillo fue el más popular durante el Imperio. Lo cierto es que, durante los dos siglos previos a nuestra era, el ladrillo llegó a ser apreciado por derecho propio como elemento de construcción en las fachadas de los edificios. Las fachadas de argamasa revestida de ladrillo se transformaron vertiginosamente en el modelo favorito para los edificios grandes como las insula o casas de apartamentos, las termas y los horrea o almacenes (como los horrea de Epagathius en Ostia, del 145 al 150 d.C.).