Лактанций и Евсевий Памфил утверждают, что Максенций получил сведения от предсказателей, что он погибнет, если выйдет за городские ворота. Однако после поражения и падения Вероны положение Максенция стало фактически безнадёжным. Константин вновь остановил своё наступление и около трёх месяцев завоёвывал новые области Центральной Италии. В октябре 312 г. армия Константина подошла к Риму. Максенций не решился оборонять городские стены и предпочёл сражение с Константином в открытом поле. Исследователи полагают, что к тому времени Максенций уже окончательно потерял популярность у горожан. По сообщению Лактанция, 27 октября толпа на римском ипподроме во время игр кричала Максенцию, что Константина невозможно победить. Последнее столкновение Максенция и Константина произошло 28 октября 312 г. в битве у Мульвийского моста (близ деревни Сакса-Рубра, Красные Скалы), к северу от Рима. В битве остатки сил Максенция были разбиты, а сам он погиб. По уверению современников, Максенций, пытаясь уехать на коне с поля боя в город, попал в давку у моста через Тибр, упал в реку и утонул. 29 октября Константин праздновал победу, с триумфом вступив в Рим. Голову Максенция возили по улицам города, а затем отправили для показа в Карфаген. События, связанные с гибелью Максенция, в христианской исторической традиции приобрели большое значение и обросли рядом легендарных подробностей. Победа Константина над Максенцием представлялась христианским мыслителям (как современникам, так и в последующие времена) важнейшим символом торжества христианства над язычеством в Римской империи. В большинстве рассказов об этих событиях авторы IV–V вв. подчёркивали религиозный смысл войны между императорами. При этом Максенций изображался и как язычник, и как гонитель христиан (первое, безусловно, справедливо). Так, согласно Лактанцию, утром накануне последнего сражения Максенций пытался узнать свою судьбу у жрецов в Сивиллиных книгах. В ответ он получил изречение оракула, как часто бывало, двусмысленное: «Враг римлян погибнет в этот день». Политика Максенция вообще строилась на поддержке некой программы возрождения традиционных римских ценностей. Он был одним из немногих императоров позднеантичной эпохи, который управлял из Рима и, как полагают исследователи, сознательно воспринимал именно древнюю столицу как единственный законный центр империи, само пребывание в котором придаёт законность императорской власти. Максенций также был щедр к римлянам; при нём было построено много зданий в Риме: на римском форуме возвели большую Новую базилику (новый зал для императорского церемониала), храм Ромула, новое здание префектуры претория, перестроили древний храм Венеры и Ромы. Значительная часть построек Максенция не были завершены при его жизни, позднее их приписали деятельности Константина (имя Максенция было подвергнуто damnatio memoriae). Несмотря на приверженность Максенция к язычеству, значительных преследований христиан при нём не было.