Zum Schluss IIIe Jahrhundert nach J. - C. wurde das römische Imperium in zwei vom Kaiser Dioclétien geteilt, und in 395 am Tod von Théodose Ier wurde er definitiv in römischem Imperium vom Okzident und römischem Ostenimperium geteilt. Die Insel von Kos wird wie ganz Griechenland von nun an zum Ostenimperium gehören; sie wird es während acht Jahrhunderten bleiben
Das römische Imperium war unter der Herrschaft von Konstantin I. christlich geworden das große (306 - 337 nach J. - C.), das die Stadt von Konstantinopel auf dem Standort der alten Stadt von Byzanz basierte. In diesem byzantinischen Imperium in vollem Aufschwung wurde Kos der Sitz eines Bistums und zählte eine Bevölkerung von 160.000 Einwohnern.
In 469 wurden die großartigen Gebäude der griechisch-römischen Stadt und Asclépiéion streng durch ein Erdbeben beschädigt, dann durch ein anderes in 554.
Zu Beginn Ve Jahrhundert und bis zum Beginn VIIe Jahrhundert wurde die Insel von barbarischen Horden angegriffen (Goten, Vandale, bulgarisch, geizige usw.). In der zweiten Hälfte VIIe Jahrhundert waren es die Araber, die die Insel plünderten.
Trotz der Plünderungen und die durch die Erdbeben verursachten Zerstörungen sind die archäologischen überreste, die aus diesem Zeitalter paléochrétienne stammen, beeindruckend. Die wichtigsten Monumente die zu dieser Zeit sind zweifellos die zahlreichen großen Basiliken, deren Ruine in zahlreichen Zonen um die Insel von Kos aufgedeckt worden sind. Die Mehrzahl unter ihnen wird mit beeindruckenden Mosaiken geschmückt, die durch die lokalen Werkstätten produziert wurden, die für ihre künstlerische Qualität wiederernannt wurden. Außerdem entlang der Küsten der Insel (in den derzeitigen Ortschaften von Kefalos, Kardamena und Mastihari), sind große Bevölkerungskolonien aufgedeckt worden; sie umfaßten geräumige Gebäude und Straßen. Dieser Wohlstand ging mit den arabischen Einfällen zu Ende, die die Mehrzahl der Einwohner zwangen, innerhalb der Insel zu flüchten.
Zu Beginn XIIe Jahrhundert gehörte Kos zu den Regionen, die durch die Republik von Venedig gefordert wurden. Im Jahre 1204 nach der Eroberung von Konstantinopel durch die gekreuzten, Kos und die anderen Inseln des Dodekanes hörten auf, zum byzantinischen Imperium zu gehören.
