В 297 г. Ираклия Фракийская стала главным городом (митрополией) созданной Диоклетианом провинции Европа; после отречения Диоклетиана в 305 г. находилась под управлением императора Галерия до 311 г., а затем его преемника Лициния. В 313 г., в ходе одной из междоусобных войн, Ираклия Фракийская была захвачена войском императора Максимина Дайи, но после его поражения во Фракии Лициний возвратил её себе. С осени 324 г., как и весь Восток Римской империи, перешла под власть императора Константина I Великого. Сведений о ранней истории церковной общины в Ираклии Фракийской крайне мало. Исследователям неясно, когда епископия Ираклии Фракийской стала именоваться митрополией – около 285 г. или после 325 г. На рубеже III и IV вв. в церковную юрисдикцию Ираклии Фракийской входила вся провинция Европа, в том числе город Византий. В 325 г. в первом Вселенском соборе в Никее принимал участие Ираклийский епископ Педерот, который, как известно исследователям из окружного послания против ариан Александрийского патриарха Афанасия I Великого, был православным. После того как Византий стал новой столицей и переименован в Константинополь, его церковная кафедра стала независимой от Ираклии Фракийской. Время, когда это произошло, также не определено: по мнению исследователей, в 330 или 381 г. Исследователям известно, что после 330 г. (освящения Константинополя как новой столицы) резиденция консуляра провинции была перенесена из Ираклии Фракийской в Константинополь. В IV – начале V вв. архиереи Ираклии Фракийской активно участвовали в церковно-политической жизни. Во второй четверти IV в. кафедру занимал арианин Феодор (около 330 – 355 гг.), автор экзегетических сочинений. О статусе и привилегиях архиереев Ираклии Фракийской этого периода свидетельствует опротестование Феодором рукоположения Константинопольского епископа Павла I в 337 г., которое было проведено без его согласия. Протест Феодора был одной из причин низложения Павла I. Исследователи полагают, что рассказ Жития Лампсакского епископа Парфения о некоем митрополите Ираклии Фракийской (в источнике – архиепископе), наказанном Господом за сребролюбие тяжёлой болезнью, относится к Феодору. Больной, вняв увещеваниям преподобного Парфения, раскаялся, раздал нуждающимся собранное им богатство и исцелился. Преемником Феодора стал его архидиакон Ипатиан, также арианин, уроженец Милета. Около 365 – 375/376 гг. епархию Ираклии Фракийской возглавлял арианин Дорофей (впоследствии епископ Антиохийский и Константинопольский), председательствовавший в 370 г. на арианском Соборе. Ираклия Фракийская сохраняла право хиротонии епископа Константинополя: в 370 г. Дорофеем на Константинопольский престол был возведён Димофил (Демофил), который раньше был епископом Веррии Фракийской. До ХХ в. продолжением этой традиции был обычай, согласно которому во время интронизации Ираклийский митрополит подавал пастырский жезл Константинопольскому патриарху. После Дорофея кафедру Ираклии Фракийской занимал приверженец македонианства Сабин (Савин), который, как полагают исследователи, стал первым историком арианских споров IV в. и собрал сведения о деяниях Соборов того времени, доказывая правоту арианства.