Die gallorömische Bevölkerung lebte weiterhin, bis ins 7. Jahrhundert, in den spätrömischen Mauern, während sich bereits in der 1. Hälfte des 5. Jahrhunderts am rechten Rheinufer alamannische Neusiedler niederliessen. Seit der 2. Hälfte des 6. Jahrhunderts wird auch eine fränkische Bevölkerung in und um Basel fassbar. Es lässt sich jedoch keine lückenlose Siedlungkontinuität auf dem Münsterhügel belegen. Das Christentum macht sich seit dem 4. Jahrhundert ebenfalls in der Gegend von Basel bemerkbar. Als erster Bischof für das Gebiet der Rauracher ist Bischof Justinianus (343-346 n.Chr.) überliefert. Im Frühmittelalter befand sich wahrscheinlich eine Bischofskirche im Castrum Rauracense in Kaiseraugst. Sowohl die Anfänge des Bistums Basel wie auch der Kirchenbauten auf dem Basler Münsterhügel sind jedoch unklar.

Der Bischofssitz musste sich im Laufe des Frühmittelalters von Kaiseraugst auf den Münsterhügel in Basel verschoben haben, wo der spätrömische Kastellbezirk zum bischöflichen Immunitätsbereich umgewandelt wurde, einem Kirchenbezirk, der später Bischofskirche, Johanneskapelle, Bischofspalast und Domherrenhäusern, Augustinerkloster und Sankt Martin, der ältesten Pfarrkirche der Stadt, umfasste. Der aus dem Kloster Luxeuil kommende Bischof Ragnacharius war zu Beginn des 7. Jahrhunderts Vorsteher der Kirchen von Augst und Basel. Möglicherweise wurde unter ihm der Bistumssitz nach Basel verlegt. Die fortlaufende Basler Bischofsliste aus dem 11. Jahrhundert setzt um 740 mit Walaus ein, ihm folgten zwei weitere bis mit Bischof Haito (spätestens 805 - 823), dem Abt von Reichenau, die Baugeschichte des Basler Münsters fassbar wird. Er liess von Grund auf eine neue Kirche errichten, deren Grundzüge auch archäologisch nachweisbar sind. Seit der Reorganisation des Bistums im 8. Jahrhundert - vermutlich zur Zeit Pippins, dem ersten fränkischen König aus dem Geschlecht der Karolinger - umfasste es als Teil des Erzbistums Besan­on den Nordjura vom Bielersee bis zur Aaremündung und das obere Elsass bis Schlettstadt, ohne das spätere Kleinbasel.

Nach der Reichsteilung von 843 gehörte Basel zunächst zum Mittelreich und nach dessen Auflösung um 880 zum ostfränkischen Reich unter Ludwig des Deutschen. Der schriftlich überlieferte Ungareneinfall um 917 in Basel ist bis jetzt archäologisch nicht nachweisbar. In der 1. Hälfte des 10. Jahrhunderts ging Basel als Grenzstadt an das 888 gegründete Königreich Hochburgund über.