Za panowania cesarza Konstantyna Wielkiego (306-337) miasto zostało rozbudowane. Wzniesiono wiele monumentalnych budowli, m.in. pałac cesarski oraz łaźnie cesarskie (niem. Kaiserthermen). W 326 roku prywatna rezydencja rodziny cesarskiej została przebudowana do podwójnej bazyliki, której pozostałości są widoczne w Katedrze św. Piotra (niem. Trierer Dom St., Peter) oraz sąsiadującym Kościele Najświętszej Marii Panny (niem.Liebfrauenkirche). Do dziś zachowała się również aula tronowa (łac. Aula Palatina) cesarza Konstantyna, w której obecnie znajduje się kościół protestancki. Żaden z budynków łaźni nie przetrwał nienaruszony do naszych czasów.
Od roku 318 Trewir był siedzibą prefektury galijskiej (łac. Praefectus Praetorio Galliarium), jednej z dwóch najważniejszych jednostek administracyjnych w cesarstwie zachodniorzymskim, które zarządzały prowincjami zachodniorzymskimi od Maroka po Brytanię. Cesarz Konstantyn II sprawował stąd władzę w latach 328–340. Do Trewiru został wygnany z polecenia cesarza Konstantyna św. Atanazy, biskup Aleksandrii w 335 roku. W tym mieście zawiązała się jego przyjaźń z miejscowym biskupem św. Maksyminem. W roku 340 w Trewirze urodził się św. Ambroży, późniejszy biskup Mediolanu.