Ρωμαϊκή εποχή
Μετά την ήττα των Ελλήνων από τον Ρωμαίο στρατηγό Μόμμιο, το 146 π.Χ., η Ελλάδα έγινε ρωμαϊκή επαρχία. Ο Μόμμιος, μετά την καταστροφή της Κορίνθου, που του επιβλήθηκε από τη ρωμαϊκή σύγκλητο, επέδειξε, όπως έκαναν και οι περισσότεροι Ρωμαίοι της εποχής του, σεβασμό στα ελληνικά ιερά. Οι Hλείοι, κατά τη διάρκεια της ρωμαϊκής κυριαρχίας, ακολούθησαν φιλορωμαϊκή πολιτική, γεγονός που συνέβαλε στην ομαλή διεξαγωγή των αγώνων. Ο Μόμμιος αφιέρωσε στην Ολυμπία τέσσερα αγάλματα και είκοσι μία επίχρυσες ασπίδες, ως λάφυρο πολέμου, οι οποίες αναρτήθηκαν στον ναό του Δία. Για αυτήν την αφιέρωση του Μόμμιου στήθηκε, μάλιστα, στην Ολυμπία επίμηκες βάθρο στα νοτιοανατολικά της Άλτεως, που έφερε τον ανδριάντα του, καθώς και τους ανδριάντες άλλων δέκα Ρωμαίων πρέσβεων, που είχαν αναλάβει τη διοίκηση της Ελλάδας.
Κατά τη διάρκεια του Μιθριδατικού πολέμου, ο Σύλλας, ο οποίος λαφυραγώγησε το ιερό, προκειμένου να χρηματοδοτήσει τις πολεμικές επιχειρήσεις του, μετέφερε την 175η ολυμπιάδα (80 π.Χ.) στη Ρώμη. Γύρω στο 40 π.Χ., ένας ισχυρός σεισμός προκάλεσε σοβαρές ζημιές στο ιερό και ιδίως στο ναό του Δία.
Στην περίοδο διακυβέρνησης του Αυγούστου, παρατηρείται οικονομική και πολιτιστική ανάπτυξη της Ολυμπίας. Η Ολυμπία, όπως και πολλά άλλα ιερά και πόλεις, ωφελήθηκε σημαντικά από τις ευεργεσίες και τις δωρεές των Ρωμαίων αυτοκρατόρων, οι οποίες άλλοτε πήγαζαν από απλό φιλελληνισμό και άλλοτε οφείλονταν σε πολιτικά κίνητρα. Στα τελευταία προχριστιανικά χρόνια, επισκέφθηκε την Ολυμπία ο γαμπρός του Αυγούστου, Μάρκος Βιψάνιος Αγρίππας, ο οποίος χρηματοδότησε τις εκτεταμένες επισκευές του ναού του Δία, αποπεράτωσε τη στοά της Ηχούς, πιθανότατα με χρήματα του βασιλιά της Ιουδαίας Ηρώδη του Μεγάλου, και ανακαίνισε το Μητρώο, το οποίο αφιερώθηκε τώρα στην αυτοκρατορική λατρεία: στον σηκό του ναού τοποθετήθηκε ένα μαρμάρινο κολοσσιαίο άγαλμα του Αυγούστου. Η αυτοκρατορική λατρεία μέσα στο Μητρώο συνεχίστηκε και επί των διαδόχων του Αυγούστου, όπως αποδεικνύεται από την ανεύρεση των αγαλμάτων του Κλαύδιου, του Τίτου, πιθανώς του Δομιτιανού και του Βεσπασιανού, καθώς και δύο συζύγων αυτοκρατόρων, ίσως της Αγριππίνας και της Δομιτίας.
Οι Ρωμαίοι αυτοκράτορες εκδήλωσαν έντονο ενδιαφέρον για τους αγώνες, φθάνοντας ακόμη και σε ακραίες καταστάσεις, όπως στην περίπτωση του Νέρωνα. Ωστόσο, η ρωμαϊκή παράδοση αποδοκίμαζε τους αγώνες, επειδή, σύμφωνα με τα συντηρητικά ρωμαϊκά πρότυπα, διέφθειραν τα ήθη των νέων και τους οδηγούσαν στην μαλθακότητα και τη θηλυπρέπεια. Αλλά και οι περισσότεροι Ρωμαίοι ποιητές χλεύαζαν την ελληνική νεολαία “επειδή ήταν τεμπέληδες, αφοσιώνονταν στη σωματική άσκηση στα γυμναστήρια και απέφευγαν να κρατούν στις παλαίστρες όπλα”. Όμως, οι Ρωμαίοι αυτοκράτορες ενθάρρυναν τη διάδοση των ελληνικών αγώνων παρακολουθώντας τους οι ίδιοι και αμείβοντας τους αθλητές και τους καλλιτέχνες, που έπαιρναν μέρος σε αυτούς. Εξάλλου, ενδεικτική της στάσης τους αυτής είναι και η κατασκευή γυμνασίων () και σταδίων () σε πολλά μέρη της αυτοκρατορίας καθώς και η ίδρυση αρκετών νέων εορτών. Σε αυτήν τη χρονική στιγμή επεκτάθηκε και ο θεσμός της περιόδου, που περιλάβανε πλέον επτά αγώνες αντί των τεσσάρων μεγάλων πανελληνίων εορτών.
Πέρα από την ενίσχυση των αγώνων, οι Ρωμαίοι αυτοκράτορες διεκδίκησαν επίσης το δικαίωμα να λάβουν οι ίδιοι μέρος σε αυτούς και το απέκτησαν αφού πρώτα ερμήνευσαν κατάλληλα τους χρησμούς. Ο πρώτος Ρωμαίος αυτοκράτορας που έλαβε μέρος στους Ολυμπιακούς αγώνες ήταν ο τότε διάδοχος του θρόνου Τιβέριος, το 4 μ.Χ., και ο Γερμανικός, το 17 μ.Χ.: και οι δύο διαγωνίστηκαν και νίκησαν στην αρματοδρομία.
Την εποχή του Νέρωνα, ο χώρος της Άλτεως διευρύνθηκε. Ο νέος περίβολος του ιερού κτίστηκε τρία μέτρα δυτικότερα και 20 μέτρα νοτιότερα του παλιού, και οι παλιές πύλες του ιερού αντικαταστάθηκαν από μνημειακά πρόπυλα