На рубеже V и VI вв. св. Вахтанг Горгасали перенёс столицу Картли в Тбилиси, который стал крупным христианским центром. Здесь при св. Вахтанге и его преемниках были построены храмы Метехи (сохранилась более поздняя постройка), Бетлеми (Вифлеем), Мариамцминда (ныне Анчисхати), а позднее – церковь Квашвети (Кашвети, сохранилась более поздняя постройка) и Тбилисский Сиони (рубеж VI и VII вв.). В конце 370 гг. персидские Сасаниды подчинили себе всю Восточную Грузию, посадив в Тбилиси своего военачальника, а в Мцхете – «епископа огнепоклонников». Жрецы служили огню в Мцхете и Тбилиси. Последователями маздеизма стали как представители знати, так и «мелкого люда», среди священнослужителей тоже оказывались «жрецы безверные и возмутители нравов». От персов в Картли пострадали первые мученики ГПЦ: мученик Раджен (ум. в 457 г.), царица великомученица Шушаник (ум. в 475 г.), царь Вахтанг Горгасали (ум. в 502 г.), священномученик Авив, епископ Некресский (560 гг.), мученик Евстафий Мцхетский (ум. в 589 г.). Центрами паломничества в Картли в раннее Средневековье являлись мцхетский Джвари, Манглиси, где хранились подножные доски Креста Христова, и Цуртави, в котором были упокоены мощи царицы Шушаник; в XII в., после перенесения мощей Шушаник в Тбилиси, Цуртави утратил значение церковно-политического центра Квемо-Картли. Джвари считался символом государственности Грузии, здесь располагалась усыпальница Картлийских эрисмтаваров и находившихся с ними в родстве Багратиони, выдвинувшихся на политическое поприще Грузии уже в VI в. (Заза Николаевич Алексидзе). Также в этот период в Картли были сооружены такие памятники грузинской церковной архитектуры, как Цроми (626 – 634/635 гг.), Самцевриси (630 гг.), Атени Сиони (первая половина VII в.) и др. На стенах соборов Болнисский Сион, Джвари и Цроми эпиграфически зафиксированы древнейшие образцы грузинской письменности, выполненные асомтаврули. В период владычества арабов в Грузии (в 730 гг. был образован Тбилисский эмират Арабского халифата) мученическую смерть в Картли приняли св. царь Аряил I (ум. около 744 г.), мученик Або Тбилисский (ум. в 757/758 г.), великомученик Константин Каха (ум. в 853 г.). В Картли сохранились исторические свидетельства того, что провизантийски настроенные представители грузинской аристократии Картли открыто демонстрировали свою независимость от центральной арабской власти, приверженность христианству и провизантийский настрой. Так, о феодале, изображённом на стеле VIII в. из села Кавтисхеви (муниципалитет Каспи), исследователям известно, что он носил византийский титул ипатия; коленопреклонному вельможе, представленному на стеле из села Усанети (близ Хашури, VIII в.), ангел протягивает корону византийского образца. В 759–777 гг. в Квемо-Картли представители дома питиахшей Вараз-Бакур и Иоанн возвели Самшвилдский Сиони, один из самих больших храмов так называемого переходного периода. В строительной надписи сюзеренами этих вельмож названы византийские императоры Константин V и Лев IV Хазар. В VIII в. в Квемо-Картли прекратила существование Агаракская епархия, что было связано, как полагают исследователи, с усилением албанизации и арменизации края, а также с нашествием венгров.