В VI в. растущее давление различных племён варваров на Балканы привело к постепенному упадку городской жизни в Ираклии Фракийской и к падению её значения как церковной кафедры. Историк Прокопий Кесарийский отмечал, что во времена императора Юстиниана I Великого (527–565 гг.) Ираклия Фракийская стала «почти необитаемой» («То же самое сделало время и с находящимся там дворцом, бывшим в высшей степени замечательным»). Император соорудил новый водопровод и отстроил город. В 591 г. в Ираклию Фракийскую прибыл император Маврикий, по приказу которого был восстановлен храм с гробницей мученицы Гликерии, разрушенный в предшествующие годы во время нападения аваров. В 610 г. гробницу святой посетил император Ираклий I. В нотициях (списках епархий) Константинопольского патриархата Ираклийская митрополия устойчиво занимает третье место после Кесарии Каппадокийской и Эфеса. Исключение представляют «Тактикон» императора Льва III Исавра, в котором Ираклийская митрополия занимает четвёртое место, уступив Кипрской архиепископии, и одна из нотиций XIV в., где она оказалась на пятом месте, после Никомидийской и Никейской митрополий. Число подчинённых Ираклийской митрополии епископий постепенно увеличивалось: в середине VII в. – пять (Паний, Каллиполь, Херсонес, Килы и Редест), в начале VIII в. – 14 (те же и Лизик, Цурул, Даоний, Врисида, Метры, Халкида, Хариополь, Мидий, Эмос), в 901 или 902 г. – 15 (вместо Кил, Врисиды и Эмоса указаны Феодорополь, Мадит, Памфил и Сергенца), во второй половине Х в. – 17 (те же и Перистасида и Афира). В 1143 г. Нил Доксопатр упоминает 15 епископий, подчинённых Ираклии Фракийской. В конце VII в. была образована византийская фема Фракия, главным городом которой был Евдоксиополь (Силиврия), с середины VI в. оттеснивший Ираклию Фракийскую на второе место («Синекдим» Иерокла 528–535 гг.). Согласно сочинению императора Константина VII Багрянородного «О фемах», Ираклия Фракийская занимала среди фракийских городов то же место. В Х в. Ираклия Фракийская была включена в фему Македония, а приблизительно в конце XI в. – в фему Фракия и Македония. В 719 г. Ираклию Фракийскую захватили болгары, а в 813 г. разорили окрестности города. Предположение некоторых болгарских исследователей, что у истоков создания Болгарской церкви в 870–877 гг. стоял митрополит Николай Ираклийский, получивший в управление новообразованную болгарскую епархию в составе Константинопольского патриархата, основано на отождествлении епископа Николая, упомянутого в надписях 871 г. из Дристра (Доростола) и на оловянной печати из архиепископской резиденции в Плиске (построена в 870 гг.), с одноимённым Ираклийским митрополитом, о существовании которого исследователям известно благодаря печати, датируемой Витальеном Лораном серединой IX в. Однако Катрин Асдраха, исходя из того что в эти годы Ираклийская кафедра была занята двумя митрополитами Иоаннами, датирует опубликованную В. Лораном печать временем после 886 г. После взятия Константинополя крестоносцами (1204 г.) Ираклия Фракийская отошла под управление Венеции; Римский папа Иннокентий III назначил Гервасия архиепископом Ираклии Фракийской и вторым лицом в иерархии латинского патриархата в Константинополе. В 1206 г. Ираклия Фракийская была разграблена болгарским царём Калояном, который увёл в плен её жителей. В 1264 г. Ираклия Фракийская была присоединена к восстановленной в 1261 г. Византийской империи. Вскоре Ираклийский митрополит получил титул «проэдр ипертимов» и «экзарх всей Фракии и Македонии».