После решительных побед греков над армией и флотом царя Ксеркса и Мардония при Саламине, Платеях и Микале, в 478 г. до н.э. союзный греческий флот во главе с афинянами овладел Византием после короткой осады. С этого времени начался новый период торгового процветания Византия. На протяжении большей части V в. – первой половины IV в. до н.э. Византий развивался под сильным влиянием Афин. Он вошёл в состав Афинского морского союза и стал главным опорным пунктом союза в черноморских проливах. Византий вносил в казну союза один из крупнейших взносов (форос); его превосходили лишь Тасос, Парос, Эгина и сами Афины. Вместе с тем географическое положение Византия делало его постоянным объектом борьбы между Афинами и любыми другими полисами, претендовавшими на гегемонию. При этом политический строй Византия менялся в зависимости от того, в какой союз город вступал. В периоды господства афинян преобладало демократическое правление; прочие политические силы (прежде всего спартанцы) поддерживали олигархический строй. К середине V в. до н.э. Византий начал тяготиться всё более усиливавшимся афинским контролем и в 440–439 гг. до н.э. поддержал антиафинское восстание Самоса. После разгрома восстания Афины вернули Византий под свой протекторат, увеличив суммы выплат в пользу морского союза, а также установив в Византии сторожевую службу, которая учитывала весь хлеб, прибывавший из Понта, и распределяла его между союзниками. В конце V в. до н.э., по мере того как морское могущество Афин слабело в ходе Пелопоннесской войны, Византий стал объектом активного соперничества между афинянами и спартанцами. В 411 г. до н.э. Византий перешёл под контроль спартанцев, но спустя год, после нескольких сражений, афиняне организовали пункт контроля за товарами у Хрисополя и оттянули на себя часть византийского товарооборота. В 409 г. до н.э. они провели осаду Византия и захватили город с помощью партии своих сторонников, открывших ворота. В 405 г. до н.э., накануне окончательного поражения Афин в Пелопоннесской войне, спартанцы вновь захватили город и держали его под своим контролем до 389 г. до н.э. В 400 г. до н.э. Византий был разграблен греческими наёмниками, которые вернулись из неудачного похода царевича Кира Младшего на Вавилон. После восстановления афинского протектората в 389 г. до н.э. была учреждена пошлина в десятую часть за проход судов через Боспор, право взимания которой передавалось византийцам. Город, пострадавший и отчасти пришедший в упадок в неспокойный период на рубеже V и IV вв. до н.э., быстро приобрёл прежний статус богатого и процветающего. В 378 г. до н.э. Византий был одним из инициаторов создания второго Афинского морского союза, члены которого не платили регулярных сумм в общую казну, но вносили лишь добровольные взносы на военные нужды. Тем не менее, византийцы постепенно вновь начали сопротивляться чрезмерному усилению Афин. В 357 г. до н.э. Византий, обладавший собственным флотом, вместе с другими морскими полисами (Хиос, Родос, Кос, Селимбрия и Калхедон) разорвал отношения с афинянами и в последовавшей войне сумел отстоять свою независимость.