Más tarde, en la época de los romanos, pasó a llamarse Cartima. Bajo esta denominación, la ciudad amplió y reforzó sus muros, construyó un puerto fluvial, y aumentó mucho su número de habitantes. Por todo ello, llegó a ser una de las más importantes villas de la actual provincia de Málaga, gozando de la consideración de municipio ya en el año 195 a. C. Es de esta época de la que más restos arqueológicos se conservan, destacando el Mosaico de Venus, actualmente en el Museo de Málaga, que se descubrió en una vivienda privada en 1956 y representa el nacimiento de esta diosa.

Tras el dominio romano, Cártama pasó sucesivamente a poder de visigodos y musulmanes. Los árabes remodelaron el castillo, convirtiéndolo en un centro de carácter político, económico y militar; así como las murallas, que convirtieron al pueblo en uno de los principales baluartes de la defensa de Málaga, y cuyas ruinas subsisten todavía. Fue durante esta época cuando la población tomó su nombre actual, Cártama, de origen musulmán.

En 1485, Cártama fue conquistada por las tropas de los Reyes Católicos.